Otomotiv Plastikleri

Transkript

Otomotiv Kompozitleri
Sınai Değerlendirme Raporu
Grafen Chemical Industries Co.
Ankara, Turkey
İbrahim Mutlay, CSO
Grafen Chemical Industries Co., Ankara, TURKEY
www.grafen.com.tr
1. Giriş
1886 yılında Karl Benz'in ilk motorlu arabanın patentini alması ve 1913 yılında montaj
hattının faaliyete geçmesi [1] ile efsanevi yükselişine geçen otomotiv sanayi herzaman
özgün nitelikler taşımıştır. Bu sanayinin gücünün aslında çok temel bir insan
içgüdüsünden geldiği söylenebilir: Bir binek sahibi olmak ve bununla yeryüzünde
dolaşmak! Söz konusu binek ister bir at ister konumuzu oluşturan motorlu taşıtlar olsun,
bu denli temel bir gereksinimi karşılayan otomotiv üreticilerinin güçlü ve karlı bir
konumda bulunması oldukça doğaldır. Günümüzde 800 milyon birim sayısı ile dünya
nüfusunun %12'si seviyesindeki [1,4] taşıt kullanım oranı 2020 yılında %15'e
yükselecektir [4]. Nüfus artışı ile beraber düşünülünce otomotiv üretimini gayet parlak
bir gelecek beklediği iddia edilebilir. Ancak motorlu taşıtlar sanayi aynı zamanda son 50
yıldan da anlaşılacağı üzere siyasal, çevresel, toplumsal ve iktisadi birçok sorun ve
baskılar altındadır. Mesela 1960'lardaki toplumsal baskı karşısında sanayiciler taşıt
güvenliği teknolojilerini iyileştirmek zorunda kalmışlardır (Şekil 1). Ardından OPEC
ülkelerine ilişkin siyasal sorunlarla patlak veren petrol krizi yakıt fiyatlarının tavan
yapmasına yol açtı. Tabii ki otomotivciler tekrar masa başına geçip verimli ürünler
tasarlamak için çalışmalara başladı [1]. Henry Ford “benzin yakan arabaları çevre dostu
hale getirmeniz için yapabileceğiniz tek şey onların gövdelerini hafifletmektir” diyerek
aslında bu soruna karşı çok yalın bir çözüm getirmişti [2]. Gerçekten de taşıt kütlesinde
her %10 indirgenmede yakıt verimliliğinde %6 iyileşme olmaktadır [4]. Bunun farkında
olan sanayiciler hafif taşıtlar yapmak için yola koyuldu. Bu aşamada en önemli tasarım
devrimlerinden biri “body-on-frame (BOF)” mimarisinden “body-frame-integral (BFI)”
mimarisine geçilmesidir. Çok daha hafif olan BFI mimarisinde tüm paneller otomobilin
mekanik davranışına katkıda bulunmaktadır. Aynı dönemde taşıt imalatında düşükkarbonlu çeliğin yerine daha hafif malzemelerin kullanımına geçildi [1]. Yukarıdaki
eğilimin devamı olarak 30 yılda taşıt kütlesi yaklaşık %30 azalmış [4]; imalat maliyetleri
%50'ye kadar düşürülmüştür [9]. Bu durum ışığında artık günümüzde taşıt verimliliğini
artırmada hafif yapı/malzemelerin kullanımının en gerçekçi yaklaşım olarak
görülmektedir.
www.grafen.com.tr
Şekil 1. 20. yy.'da otomotiv sanayi ve dış etkenlerle ilişkisi [1].
Otomotiv sanayinde taşıt ağırlığını azaltmak için bugün en çok kabul gören malzemeler
aluminyum, magnezyum ve plastiklerdir (Şekil 2) [4]. Taşıt şasisi esasen metalik olduğu
için bunların hafif ve yüksek başarımlı hale getirilmesinde aluminyum/magnezyum
esaslı malzemeler tercih edilmektedir. Burada yeni alaşımlar ve imalat teknolojilerinin
uygulanmasıyla neredeyse yarı yarıya hafif ve daha az karmaşık parçalar üretilebilmiştir
[1]. Otomobil gövdesinde de uzun bir süre (1990'lara kadar) yumuşak-çelik tercih
edilmiş ancak son yıllarda yüksek dayanımlı aluminyum alaşımları ve ileri çeliklerin
geliştirilmesiyle bunların yaygınlığı artmıştır [1]. Kara taşıtı yapısında daha birçok metal
kısım ve bunların hafifletilmesini hedefleyen farklı yaklaşımlar mevcutsa da bu yazıda
polimerik esaslı otomotiv malzemeleri irdelenecektir.
www.grafen.com.tr
Şekil 2. Tarihsel bir bakış açısıyla otomotiv malzemeleri [1].
Çizelge 1. Lif takviyeli termoplastiklerin üstünlük ve sorunları (termosetlere kıyasla) [8].
Üstünlük
Yüksek dayanım ve darbe direnci
Alçak emisyon
Düşük nem hassasiyeti
Yüksek üretim hızı (pişirme yok)
Sınırsız raf ömrü
İmalat-sonrası ısıl işleme mümkün
Basit geri-dönüşüm
www.grafen.com.tr
Sorun
İşleme koşullarına bağlı kristallik
Zayıf bası özellikleri
Yüksek viskozite/emdirme zorluğu
Lif-polimer yapışması zayıf
Boyanabilirlik
ve
yapıştırılabilirlikte
sorunlar
Yüksek işleme sıcaklığı-basıncı
Yüksek sıcaklıkta sürünme
2. Plastikler ve Kompozitler
İlk suni plastik Alexander Parks tarafından 1862 yılında Londra'daki “Great International
Exhibition”da sunuldu. Halk tarafından “Parkesine” adı verilen bu malzeme selülozdan
türetilmişti ve termoplastikti. Bunu takip eden dönemde birçok yeni plastik ürün
piyasaya sürüldü [3]: 1866 yılında celluloid; 1907 yılında Bakelite; 1920 yılında selofan
ve nihaiyaten 1939'da nylon [3]. 1940'larda çoğunu günümüzde de tanıdığımız
poliakrilonitril, neopren, stiren butadien kauçuğu, polietilen ve diğer birçok plastik
ortaya çıktı [3]. Ancak polimerlerin asıl yükselişi ve hayatımızı değiştirmeye başlaması
1950'li yıllarda oldu. Artık plastikler en fazla kullanılan malzemedir ve 20. yy'ın en
devrimsel buluşu olarak kabul edilmektedir [3]. Plastiklerin otomotiv sanayindeki mazisi
ise 100 yıl öncesine kadar uzanmasına karşın bu malzemelerin maliyetleri çok uzun bir
süre yaygınlaşmalarını önlemiştir [1,3]. Yüksek başarımlı polimerlerin keşfi ile kullanıma
geçen polimerik malzemeler, hafiflikleri, yüksek dayanımları, esnek süreçlerle kolayca
üretilebilmeleri ve darbe dirençleri ile her geçen gün otomotiv sanayine daha derin bir
biçimde nüfuz etmektedir [3]. Otomotiv sanayinde ilk dönemde termosetler tercih
edilmişse de bunların üretim süreçlerinde pişirme (curing) gibi aşırı zaman alan bir
aşama bulunması ve geri-dönüştürülmelerinin çok zor olması onlara olan ilgiyi
azaltmıştır. Belli özelliklerindeki yetersizliklerine (Çizelge 1) rağmen termoplastikler ise,
sıradışı üretim hızları ve son derece basit geri-dönüşümleriyle termosetleri geçerek
pazardaki yerini almıştır. Günümüzde termoplastikler hafif otomotiv uygulamalarında en
önemli gelişmeyi gösteren plastik sınıfıdır [4,5,7]. Termoplastikler özellikle motor
aksamı parçalarının üretiminde başarı göstermiştir [7]. Termoplastik manifoldlar
1970'lerde ortaya çıkmış ve ilerleyen dönemle daha da gelişmiştir. 2001 yılında global
ölçekte 18 milyon adet poliamid esaslı motor giriş manifoldu imal edilmiştir [7]. BASF
2005 yılında lif takviyeli plastiklerin (FRP), metalik manifoldların %85'inin yerini
alacağını belirtmektedir [7]. Bu ve diğer motor uygulamaları için BASF %30 cam lifi
takviyeli PA ürünü Ultramid B3WG6 black 20560 HP'yi piyasaya sürmüştür. Rhodia
Engineering Plastics firması da motor aksamı uygulamaları için %25-30 cam lifi takviyeli
Technyl serisi plastikler sunmaktadır [7]. Bunların özellikle radyatör su haznesi vb.
ısıtma/soğutma parçalarında kullanılabileceği belirtilmektedir. DSM Engineering
Plastics ise Akulon ve Stanyl sınıfı PA'leri ile pazardan pay kapmaya çalışmaktadır [7].
Ayrıca DSM firması PA6-Polibutilen tereftalat bileşimi Segregate adlı yeni ürünleriyle
halojensiz güç tutuşurluk ve yüksek katılık sunmaktadır [7]. Piyasada birçok yüksek
başarımlı elastomer mevcutsa da bunların UV altında hızla bozunmaları motorlu
taşıtlarda kullanımlarını sınırlandırmaktadır [5]. Bu soruna karşı Ticona Engineering
Polymers firması UV soğurucular – antioksidanlar – yardımcı koruyuculardan oluşan
özel katkı bileşenleri ile sınai standartların %200'ü seviyesinde UV direncine sahip
elastomerler tasarlamıştır. Bu ürünlerin otomotiv iç plastiklerinin enjeksiyonlu
kalıplamayla imalatında başarıyla kullanılabileceği bildirilmiştir [5]. DSM Engineering
Plastics firması motor aksamı plastikleri için Arnitel sınıf termoplastik elastomerlerini
piyasaya sürmüştür [5]. Poliasetal (POM) esaslı kompozitlerin yüksek darbe dayanımları,
tribolojik başarımları ve kimyasal dirençleri ile yakıt sistemi bileşenleri, sunroof, koltuk
parçaları, rüzgarlık vb. parçalarda polipropilen, poliamid ve kısmen de metallerin yerini
alabileceği beklenmektedir [5]. Son dönemde ortaya çıkan polifenilen sülfit (PPS) esaslı
www.grafen.com.tr
mühendislik plastiklerinin de, olağanüstü kimyasal dirençleri ile motor soğutma aksamı
vb. uygulamalarda kullanılabilmesi mümkündür. Yarışarabası motorlarından esinlenerek
2003 Toyota Crown model arabanın motor soğutma aksamındaki su ceketinde aromatik
poliamid plastik parçaların kullanılmasıyla yakıt verimi %1 artırılabilmiştir [6].
Kaçuklarla harmanlanmış renkli kalıplanan termoplastik olefinler (TPO) yüksek darbe
dayanımlarıyla 2006 Buick Lucerne model arabanın airbag kapaklarında kullanılmış ve
geleneksel boyalı kapaklara göre çok daha başarılı olmuştur [6]. 2006 model
DaimlerCrysler PT Cruiser'a ait pencere yükseltme düzeneklerininin tümüyle plastikten
imal edilmesiyle %25 ağırlık, %15 maliyet tasarrufu elde edilmiş ve kayganlıştırıcı
kullanımı ortadan kaldırılmıştır [6]. Otomotiv farları yüksek başarımın yanında kusursuz
optik özellikler gerektiren yerlerdir. Bu sebeple far uygulamalarında özel malzeme
çözümlerine ihtiyaç duyulmaktadır. Polikarbonat (PC) eşsiz optik ve mekanik
özellikleriyle 1980'lerden itibren camın yerini almaya başlamıştır [11]. Tümüyle PC
sistemlerin üretilebilmesiyle daha az karmaşık/kolay montajlanabilir far bileşenleri imal
edilmiştir. Böylece eski akrilik farlar için gereken civata vb. bağlantı elemanlarına olan
ihtiyaç ortadan kalkmıştır [11]. Çalışma sıcaklığı aralığı -20 – 140 °C civarındaki PC,
camın 200 katı darbe dayanımına sahiptir ve geleneksel plastik kalıplama teknikleriyle
istenilen her geometrideki tasarımlara şekilledirilebilir [11]. Bu özellikleri sayesinde
PC'nin yakın gelecekte otomobil pencerelerinde bile camın yerini alacağı
düşünülmektedir [12].
1953 Corvette araba, FRP'lerin geniş kullanıma geçtiği ilk model olarak kabul
edilmektedir [1]. Bu arabanın gövde panelleri elle-yatırılmış cam lifi hasır ve poliester
reçineden imal edilmişse de bu ve benzeri teknikler yeterli üretim hızına sahip değildi
[1]. FRP imalatını daha süratli hale getirmek için bir nihai ürün geometrisindeki
“preform” üzerine spreyle veya hasır halinde yatırılmış liflerin poliester reçineyle pres
altında pişirilmesi şeklindeki tekniğe geçilmiştir [1]. Ancak bu teknikle elde edilmiş
bitmiş parçalarda da yeterli yüzey niteliklerine ulaşılamamış ve bunun üzerine yapılan
araştırmalar "sheet molding compound (SMC)" tekniğini doğurmuşturr. SMC tekniğinde,
önceden reçineyle emdirilmiş lif hasırları ürün geometrisindeki kalıplarda doğrudan
pişirilmektedir [1]. 1970'lere kadar kısıtlı ilgi gören FRP'ler ve SMC tekniği bu tarihteki
petrol krizi ile bir anda şöhrete kavuşmuştur. Öyle ki SMC ile FRP üretimi 70-80'ler
www.grafen.com.tr
arasındaki on yıl içerisinde 20 milyon kg/yıl'dan 45 milyon kg/yıl'a yükselmiştir [1]. Tüm
başarısına rağmen üretim hızı yine de düşük olan SMC'nin iyileştirilmesi için vakumdestekli kalıplama kullanılmaya başlanmıştır. Vakum-destekli SMC üretim hızının
yanında olağanüstü yüzey niteliklerine sahip ürünlerin imalatını olanaklı kılmıştır.
Bugün termoset SMC kompozitler özellikle GMC Envoy XUV, Hummer H2 ve 2004
Durango gibi lüks otomobil pazarında söz sahibidir [9]. Ford Mustang ve Lincoln
Navigator modellerinin kaputu, Explorer Sport Trac modelinin kargo ve yan panelleri,
F150 FX Off-Road Series'te dış paneller gibi daha birçok lüks üründe SMC kompozitler
kullanmaktadır [9]. Otomobil üreticileri karbon lifi sanayindeki gelişmelere paralel
olarak bu malzemeye daha çok ilgi duymaktadır. BMW ile ABD menşeli karbon lifi
üreticisi Zoltek arasındaki ortaklık antlaşması bunun en son ve bariz örneğidir [9].
Karbon lifi cama nazaran önemli başarım ve hafiflik üstünlüklerine sahiptir. Mesela
Chevrolet Corvette Z06 Commemorative Edition modeli arabada SMC karbon-epoksi
kompozitler kullanılarak cama kıyasla %33 ağırlık tasarrufu elde edilmiştir (Şekil 4) [9].
DSM firması da vinil ester-karbon kompozitleri otomotiv piyasasına uyarlamak için
çalışmaktadır [9]. MG Rover XPower SV spor arabalarının gövde parçalarında karbon lif
kompozit kullanmak için araştırmalar yapılmaktadır [9].
Şekil 3. Yapısında termoset SMC kompozitler barındıran Hummer H2 SUT [9].
www.grafen.com.tr
Şekil 4. Chevrolet Corvette Z06 Commemorative Edition modeli arabada SMC karbon
kompozitler kullanılmış [9].
Şekil 5. Cadillac XLR'in dış gövde parçalarının büyük bir kısmı SMC kompozitlerden
imaldir [9].
SMC kompozitlerin lüks araba pazarındaki hakimiyeti sürerken, otomotiv plastiklerindeki
genel duruma benzer biçimde, kompozitler sahasında bir başka eğilim hızla atağa
geçmiştir. Plastik sanayilerinin en hızlı gelişen kolu olarak ve neredeyse tümüyle kara
taşıtları üretiminde tüketilmeleriyle kendini gösteren bu malzeme sınıfı uzun lif
takviyeli termoplastiklerdir (LFT) [8,9]. Buradaki “uzun” sıfatı bazen karışıklıklara yol
www.grafen.com.tr
açmaktadır. Ancak genelde 2 mm'den uzun liflerle takviyelenmiş plastikler LFT olarak
kabul edilmektedir (Şekil 6) [8]. LFT'lerin gücü, 2001 yılındaki -başlıca otomotivde
olmak üzere- tüketimlerinin 59 milyon kg mertebesine ulaşmasından anlaşılabilir [7].
Geçtiğimiz 20 yılda LFT'ler yapısal otomotiv uygulamalarında başarıyla gelişme
göstermiş malzemelerdendir [8]. LFT'ler düşük maliyet ve hafiflik yanında asıl
üstünlüklerini yüksek üretim hızlarıyla gösterirler. LFT'ler kullanıma geçtiği geçmiş
dönemlerde çoğunlukla basit uygulamalarda kullanılmışken artık ön konsol destek
sistemleri, kapı ve tavan modülleri, koltuk kabukları, ses-soğurma sistemleri kabukları
ve tekerlek taşıyıcıları gibi ana bileşenlerde kullanılmaktadır [8]. LFT esaslı hafif yapı
tasarımı için farklı malzemeler bulunsa da bunlardan sadece cam lifi-PP bileşimi düşük
fiyatları ve üretim süreleri ile kendini kanıtlayabilmiştir [8]. LFT kavramının başlangıcı
60'ların sonunda ABD'de PPG/Union Carbide firması tarafından Azdel ticari ismiyle
satılan cam hasır termoplastiklerle (GMT) olmuştur [8]. Ancak 1982'de GMT'lerin Avrupa
pazarına girmesiyle ticari gelişmeleri çarpıcı biçimde hızlanmıştır. GMT'ler genelde,
ağr.%15-40 oranında >12.5-100 mm üstünde (bazen de sonsuz boyda) uzunluklarda cam
lifleri içeren termoplastik yarı-mamullerdir [8]. GMT'lerin otomotiv sanayindeki başarısı
LFT'lere giden kapıyı açmış ve uzun lif takviyeli masterbach (LFG) ve doğrudan-LFT vb.
farklı birçok teknik ortaya çıkmıştır [8]. Volkswagen ve DaimlerChrysler bu alandaki
gelişmelerin 2010'a kadar yıllık %10 büyümeyle devam edeceğini belirtmektedir [9].
Bugünlerde LFT'lerden imal parçalarla birçok taşıtta karışılaşmak mümkündür. Porsche
Cayenne ve Volkswagen Touareg model arabaların ön yüz modülleri LFT'lerden
üretilmiştir. [9]. Polaris Industries firması da Sportsman 700 Twin model “all terrain
vehicle (ATV)”larında (Şekil 7) LFT parçalar kullanarak üretim maliyetlerini düşürmüştür
[9]. Burada imal edilen yapısal bileşenlerin -32 °C kadar alçak sıcaklıklarda bile
çalışabildiği düşünülünce LFT'lerin yüksek başarım özellikleri aşikar biçimde
görülecektir [9].
www.grafen.com.tr
Şekil 6. Termoplastik kompozitler için lif uzunluğuna bağlı olarak mekanik özellikler ve
maliyetin değişimi [8].
www.grafen.com.tr
Şekil 7. LFT parçalar içeren yapılanmasıyla Polaris Industries Sportsman 700 Twin all
terrain vehicle (ATV) [9].
4. Yeşil Malzemeler
Ülkemizde maalesef, otomotiv malzemelerini “yeşilleştirme” çabalarının sadece çevresel
endişelerden kaynaklandığı gibi aşırı ciddi bir algı hatası bulunmaktadır. Aslında “yeşil
malzeme” akımı derin ekonomik etmenlerle alakalıdır. Bunlardan başlıcası yukarıdaki
satırlarda açıklandığı üzere araç verimliliğini artırmaktır. Ancak yeşil malzemeler, buraya
kadar tarif edilen geleneksel otomotiv malzemelerinden farklı olarak çok daha düşük
maliyetlidir ve imalat, kullanım ve geri-dönüşüm safhalarında neredeyse sıfır kirlilik
emisyonu vererek hem imalatçıları hem de tüketicileri sayısız ilave maliyetten
korumaktadır. Misal olarak, aşağıda anlatılacak doğal lif takviyeli kompozitler sayesinde
pahalı takviye liflerine olan ihtiyaç azalmış, üretim işlemleri basitleşmiş/ucuzlaşmış, atık
yönetimi maliyetleri düşmüş... ve böylece hem üretici hem de tüketici için olumlu bir
resim ortaya çıkmıştır. Bu resmin farkında olan Avrupa Birliği 2015 yılı itibarı ile yeni
üretilecek taşıtların en az %95 geri-dönüştürülebilir malzemelerden imal edilmesini
zorunlu kılmıştır [2].
www.grafen.com.tr
Şekil 8. Solda atık otomobil parçaları, sağda yanında bunların işlenmesiyle elde edilen
poliolefin esaslı yongalar ve araştırmacının elinde, yongalardan imal edilmiş yeni bir
otomobil parçası [10].
Yukarıda anlattığımız gibi cam, karbon lifleri ve epoksi reçineler ile termoplastikler gibi
malzemelerle hafif taşıtlar yapılarak yakıt verimi artırılabilse de bu malzemelerin geridönüşümü çok zor olduğundan ve/veya üretimleri sırasında ciddi boyutlarda çevresel
yük oluştuğundan farklı çözümler aranmaktadır. Termoplastikler, kolayca eritilip geridönüştürülebilmeleriyle yeni plastik pazarında daha büyük söz sahibi olacaksa da bunlar
tek başına yeterli olamamaktadır. Bu çıkmaza karşı önerilen yeşil kompozitler,
termoplastiklerin doğal liflerle hazırlanmış kompozitleri, günümüz otomotiv plastikleri
pazarındaki en önemli üyelerden biridir. Doğal lifler, cam lifine kıyasla kullanıldığı taşıt
parçalarında ağırlığı %40 azaltabilmektedir [2]. Ayrıca tabii liflerin üretiminde cam
elyafından çok daha alçak seviyede enerji tüketimi olmaktadır. Madencilik, yüksek
sıcaklıklarda işleme/ergitme gibi süreçleri kapsayan cam lifi üretiminde 30 Gj/t
mertebesinde enerji sarfiyatı gerçekleşirken bu değer bitki liflerinde 4 Gj/t kadar
düşüktür [2]. Yanısıra cam, karbon, aramid vb. takviye liflerinin imalatları sırasında CO 2,
SOx ve NOx gazları salınmaktadır. Buna karşın doğal lifler gelişimleri sırasında
soğurduklarından daha az miktarda CO2 salımı yaptıklarından atmosferdeki karbon
yükünü azaltırlar [2]. Geleneksel takviye lifleri husunda yaşanan bir diğer sorun imal
edildikleri/işlendikleri sistemleri aşındırmaları ve çalışanlara tahriş edici etkilerde
www.grafen.com.tr
bulunmalarıdır. Ancak doğal liflerle bu tür olumsuzlukların hiçbirisi söz konusu değildir.
Anlatılanlar doğal liflerin sadece çevresel açıdan üstünlükler gösterdiği izlenimini verse
de bu malzemeler mekanik ve fiziksel olarak da muhteşem özellikler sergiler. Hemp,
sisal, flaks, koir, jüt, kapok, gibi liflerin kuşaklarca yüksek dayanımlarının bilinmesi ve
halat imalatı gibi alanlarda kullanılması da bunun en iyi ispatıdır. Doğal lif takviyeli
plastiklerin (NFRP) ticari olarak kabul görmesi 1994 yılında Mercedes Benz'in E-class
taşıtlarının iç kapı panellerinde jüt takviyeli kompozitler kullanmasıyla oldu. DaimlerChrysler bugün de NFRP'ler alanında başı çekmekte olup Şekil 9-11'de bu tür ürünlerine
örnek teşkil eden yeşil kompozitler tanıtılmıştır.
Şekil 9. Mercedes Benz S-Class arabadaki doğal kökenli kompozitler [13].
www.grafen.com.tr
Şekil 10. Mercedes Benz A-Class arabada camın yerini almış flaks lifi-PP kompozitler [2].
Şekil 11. Mercedes-Benz A-Class Mini'de kullanılan muz lifi-PP NFRP'den imal tekerlek
taşıyıcısı [6].
www.grafen.com.tr
NFRP'ler çevresel ve mekanik başarımlarının yanında ses yalıtımı, düşük sağlık tehlikesi,
enjeksiyon kalıplama vb. geleneksel yöntemlerle üretilebilirlik ve alçak maliyet gibi
birçok mühim tasarım özelliğini birarada taşımaktadır. Doğal liflerin imalatı birkaç özel
ancak görece basit aşamadan oluşmaktadır. Tabiattaki yetiştikleri bitkisel halleriyle
doğal lifler maalesef kullanılamamaktadır. Elyafın eldesi için ilk önce köken bitki nemli
ortamda bekletilerek (dew retting) yapısındaki pektinden arındırılır. Ardından lignin ve
hemiselüloz hidrotermoliziz ya da alkali ekstraksiyonla giderilmesiyle lifler açığa çıkar
[2].
Visteon Automotive Systems firması heryıl binlerce NFRP esaslı ürünü Ford ve Citroen
gibi otomotiv devlerine tedarik etmektedir. Firma yetkilileri Avrupa pazarında flaks-PP
kompozitlerin başı çektiğini belirtmekte ve bu tür ürünlerin tümüyle çevreci ve
geleneksel cam lifli kompozitlerle özdeş maliyetlerle üretilebildiğini ilave etmektedir
[2]. Visteon ve Technilin firmaları Opel'den gelen özel bir sipariş üzerine R-Flax® adlı
ürünü geliştirmiştir. Kapı panelleri vb. yerlerde kullanılmak üzere flaks-PP kompozitten
tasarlanan malzeme üstün çizilme ve UV direnci ile beraber estetik özellikleri
buluşturmuştur. Pazar uzmanlarının beklentileri NFRP'lerin yakın dönemde sadece taşıt
iç plastikleri ile sınırlı kalmayıp yapısal uygulamalarda da kendini göstereceği
yönündedir [2]. Ancak doğal liflerle ilgili bu hususta, aşılması gereken bazı
olumsuzluklar vardır. Taşıt yapılandırmasında topyekün doğal malzeme kullanımı fikri
aslında 1935'e kadar gider. Bu dönemde kağıt, odun yongası ve doğal lif vb. takviyeli
fenolik reçineler taşıt gövdelerinde kullanılmak istemiş fakat Alman menşeli Trabant
model arabada da kanıtlandığı üzere bu hedefte oldukça başarısız olunmuştur.
NFRP'lerin darbe dayanımları düşük olup yanma/ısıl dirençleri yetersizdir. Ayrıca doğal
liflerin polimerik malzemelerle yapışması zayıftır ve üretimi takiben kolayca
bozunabilmektedir. Ayrıca doğal lifler neme ve çürümeye karşı yeterince ayakta
kalamamaktadır. Belirtilen sorunlara yönelik akademik ve sınai çalışmalar yoğun bir
şekilde devam etmektedir ve çok yakın bir gelecekte ticari meyvelerini vermeye
başlayacaktır [2].
Soya, nişasta, polilaktik asit gibi çevre-dostu polimerlerin bilindik plastiklerin yerini
alması için araştırmalar sürse de bunlar doğal lifler kadar olgunluğa erişememiştir [2].
Ancak bazı ticari örnekler de yok değildir. Mesela tarım makinaları üreticisi John Deere
and Co. firması bazı makinalarına ait parçaların imalatında soya-fasülyesi ve mısır
nişastası esaslı biyoplastiklerden oluşan karışımlar kullanmıştır. Doğal kökenli
poliüretan reçine içeren HarvestFormTM adlı söz konusu ticari kompozit ile çeliğe
nazaran %25 ağırlık tasarrufuna ulaşıldığı belirtilmektedir. Aslında soya-esaslı plastikler
1938 yılında Henry Ford tarafından cam lif takviyeli olarak araba gövde parçalarının
imalatında başarıyla kullanılmıştır. Bununla birlikte Henry Ford'un yeşil kompozitlerle
ilgili hedefleri 2. Dünya Savaşı sebebiyle yeterli etkiyi gösterememiştir [2]. Bununla
birlikte Ford şirketi, kurucularının geleneğini sürdürmektedir. Özellikle soya esaslı
www.grafen.com.tr
köpüklerin koltuk sistemlerinde kullanım bulabileceği düşünülmektedir [14]. Bu tür
koltukların uygulanabilirliği Ford U model konsept arabada gösterilmiştir (Şekil 13) [14].
Şekil 12. Soya fasülyesi ve mısırdan sentezlenmiş poliüretandan imal yan panelleriyle
tarım makinesi [2]
Şekil 13. Soya esaslı köpüklerin kullanıldığı koltuklar ve Ford U konsept araba [14].
www.grafen.com.tr
5. Nanokompozitler
20. yy.'nin son yılları yeni bir sanayi devrimine, yani nanoteknolojiye tanıklık etmiş ve
yeni binyıla bu muhteşem gelişmeyle girilmiştir. 100 nanometre (nm) altı boyutlardaki
malzeme ve sistemleri konu alan nanoteknoloji bugüne kadar insanoğlunun görmediği
sayısız mucizevi özellik ve olguyu sunması ile şüphesiz yakın geleceğimizin en önemli
hareketlerinden biri olacaktır. Bir nanomalzemenin polimer, metal veya seramik gibi bir
ortama takviyelendirilmesiyle hazırlanan nanokompozitler nanoteknoloji içerisinde en
büyük potansiyele ve pazar hacmine sahip kısımdır. “Nano” sıfatı çoğu zaman “pahalı” ve
“karmaşık” kelimeleriyle özdeş kabul edilse de aslında gerçek durum bundan epey
farklıdır. Şu an pazarda satış halinde otomotiv, ambalaj, tekstil vb. farklı sektörlere
yönelik yüzlerce ürün bulunmaktadır. Üstelik bunlar imalatları açısından çoğu kez düşük
maliyetli olmasına karşın üstün başarımlarıyla ve “nano” vurgusu sayesinde yüksek
fiyatlarla pazarlanabilmektedir. Dolayısı ile nanokompozit uygulamalarının genel
beklentinin çok üstünde bir hızla ilgili sanayilere yayılacağı iddia edilebilir.
Nanokompozit imalatında en büyük öneme sahip nanomalzemeler nanokiller, karbon
nanotüpler ve grafen nanopullardır. Nanokiller, nm kalınlığında ve mikron genişliğinde
levhalar olup doğal toprak killerinden sentezlenir. Bu malzemeler hem düşük maliyetleri
hem yüksek mekanik özellikler, gaz bariyer direnci ve yanma dayanımı vermesiyle en
hızlı gelişecek grubu oluşturur. Zaten General Motors TPO'ların fiziksel zayıflıklarına
karşın nanokil takviyesini denemiş ve beklediklerinin çok üstünde sıradışı bir başarı
gözlemişlerdir. Üretilen TPO-nanokil nanokompozitler kuramsal hesaplamaların bile
üstünde mekanik özellikler sergilemiştir [4] Şu an en büyük nanomalzeme
tüketicilerinden biri olan General Motors nanokompozit kullanımı ile hafifliğin yanında
maliyetlerini düşürüp üretim kapasitelerini artırabilmiştir (Şekil 14) [4]. Karbon
nanotüpler “nanoteknolojinin şahı” olarak görülmekte ve killerden farklı olarak yüksek
tokluk ve elektriksel iletkenliğin istendiği yerlerde tercih edilir. Karbon nanotüpleri
içeren çeşitli ürünler varsa da büyük kapasitelerle üretilen, ticari özellikteki ilk karbon
nanotüp kompoziti geçtiğimiz aylarda BASF firmasınca Ultraform® N2320 C adı altında
sunulmuştur [17]. Nanotüp-poliasetal kompozit bileşimli bu plastik malzeme Bosch
tarafından Audi A4 ve A5 model arabaların yakıt filtre haznelerinin imalatı için
kullanılmaktadır (Şekil 15) [17]. Grafen nanopullar ise karbon nanotüplerle özdeş
başarım özellikleri göstermekte ancak nanokillere benzeyen mikroyapıları ve
nanotüplerden düşük maliyetleri ile göze çarpmaktadırlar.
www.grafen.com.tr
Şekil 14. General Motors firmasının taşıtlarında nanokompozit uygulamalar. Solda
Hummer H2 bagaj yapı bileşenleri ve sağda Chevrolet Impala kapı yan çubukları
[4,15,16].
Şekil 15. Karbon nanotüp kompozitten (BASF-Bosch) imal edilmiş Audi A4 ve A5
modellerine ait yakıt filtresi haznesi [17]
www.grafen.com.tr
Global pazardaki bu heyecan verici gelişmelere karşın ülkemizde nanoteknoloji ile ilgili
ticari hareketler yok denecek kadar azdır. “Nano” kavramının bu denli yabancı olduğu
ülkemiz ortamında Grafen Chemical Industries Co. (Grafen Co.) yaklaşık beş yıldır çeşitli
nanomalzeme ve nanokompozitlerin üretim ve tasarımına yönelik Ar&Ge faaliyetleri
yürütmektedir. Şekil 16'da Grafen Co. tarafından üretilen nanokil-PP masterbatch
granüller görülmektedir. Maliyetini oldukça aşağı çektiğimiz bu malzemenin yüksek
Young modüllü parçalar ve güç tutuşurluk uygulamalarında başarıyla kullanılacağı
beklenmektedir. Grafen Co. sadece nanokompozitler değil başat nanomalzemelerin
üretimiyle de ilgilenmektedir. Firmamız, üniversitelerimizden bile önce bir ilki
gerçekleştirerek ilk yerli grafen nanopul üretimini başarmıştır (Şekil 17-18).
Şekil 16. Grafen Co. tarafından geliştirilen nanokil-PP masterbatch granüller.
www.grafen.com.tr
Şekil 17. Grafen Co. tarafından üretilen grafen nanopullar. Solda taramalı elektron
mikroskobu (SEM) resmi; sağda malzemenin çıplak gözle görünen halini temsil eden
fotoğraf.
Şekil 18. Grafen nanopullara ait 3B AFM resmi.
www.grafen.com.tr
6. Sonuç
Otomotiv plastikleri üç unsur odağında tasarlanmaktadır: verimlilik, başarım ve zariflik.
Taşıt kütlesini azaltmada dolayısıyla da verimliliği iyileştirmede plastikler nihai
alternatiftir. Var olan yapısal malzeme çözümleri içerisinde plastikler en düşük
yoğunluğa sahip grubu teşkil eder. Plastiklerin belki de tek yumuşak karnı fiziksel
başarım/maliyet oranıdır. Plastiklerle (ileri kompozitler vasıtasıyla), metallerden bile
daha sağlam yapılar kurmak mümkünse de böyle bir taşıt kabul edilemeyecek kadar
pahalı olacaktır. Normal maliyet koşullarında ise plastikler yüksek başarım
verememekte, bu da onların otomobilde ana yükü taşıyan gövdede değil daha çok diğer
bileşenlerde kullanılmalarına sebep olmaktadır. Ancak kompozit malzemeler alanındaki
gelişmeler söz konusu durumun kısa zamanda değişebileceğine işaret etmektedir.
Görsellik/tasarlanabilirlik ise kesinlikle plastiklerin eşsiz olduğu yerlerden biridir.
Özellikle termoplastikler istenilen hertürlü şekil ve renkte/görüntüde üretilebilmektedir.
Verilen üç tasarım kıstasını oldukça etkin biçimde sağlayan otomotiv plastikleri
pazarında, önümüzdeki birkaç on yıllık dönemde en büyük ticari öneme sahip konular
uzun lif takviyeli termoplastikler ve doğal lifli kompozitler olacaktır. Nanokompozitler
ise termoplastik kompozit teknolojilerine nüfuz ederek pazara girecek ve genel kanının
aksine hızla hayatımızı saracaktır. Plastik parçalar muhtemelen daha uzun bir süre
gövdede kullanılamayacak fakat diğer kısımlara, hatta araba camlarına kadar
yaygınlaşacaktır.
Kaynaklar
[1] Alan I. Taub, Paul E. Krajewski, Alan A. Luo, and John N. Owens, The Evolution of
Technology for Materials Processing over the Last 50 Years: The Automotive Example,
p. 48, JOM, February 2007
[2] George Marsh, Next step for automotive materials, Materials Today, p. 36, April 2003
[3] Rose A. Ryntz, Bring Back the Steel? The Growth of Plastics In Automotive
Applications, JCT Research, Vol. 3, No. 1, January 2006
[4] Alan I. Taub, Automotive Materials: Technology Trends and Challenges in the 21st
Century, MRS BULLETIN, p. 336, Vol. 31, April 2006
[5] Mike Prady, Pam Brady, Developments in automotive plastics, Reinforced Plastics, p.
37, November 2008
www.grafen.com.tr
[6] SPE highlights latest automotive innovations, Reinforced Plastics, p. 26, January
2006
[7] Amanda Jacob, Katherine Prince, Car makers continue to favour thermoplastics,
Reinforced Plastics, p. 36, February 2002
[8] Michael Schemme, LFT – development status and perspectives, Reinforced Plastics,
p. 32, January 2008
[9] Amanda Jacob, Car makers increase their use of composites, Reinforced Plastics, p.
26, February 2004
[10]
http://www.es.anl.gov/Energy_systems/Archived_Highlights/2005/Recycling_Auto_Plasti
cs/051111.jpg
[11] Plastic headlamp lenses reduce weight and reduce lens breakage, which can
improve nighttime visibility and safety, Report, American Chemistry Council,
www.plastics-car.com
[12] Bruce C. Benda, Finishing options for polycarbonate automotive glazing, GLASS
PERFORMANCE DAYS 2007, www.gpd.fi
[13]
Environmental
Certificate
Mercedes-Benz
Communications, www.daimlerchrysler.com
S-Class,
DaimlerChrysler
[14] http://eprints.internano.org/55/
[15] http://www.worldcarfans.com/104102110118/hummer-h2-sut-sports-lightweightnanocomposite-material
[16] http://www.nanoclay.com/pdfs/funfillers%200904.ppt
[17] Electrically conductive BASF plastic Ultraform with nanotubes being used by Bosch,
BASF News Release, March 26, 2009
www.grafen.com.tr

Otomotiv Plastikleri

Transkript

Benzer belgeler

Oktay Erbatur - Teknoloji Transfer Platformu

BD Otomotiv Türkiye`nin ilk elektrikli hafif ticari aracını TNT`ye teslim etti

HATKOTEKNiKDONANıMLAR MÜM. ve Tic. A.ş.

“Mükemmellikte Kararlılık Belgesi”ni alan ilk OSB TOSB

MÜŞTERİ GÖRÜŞLERİ TNT EXPRESS BD Otomotiv`in Türkiye`de ilk

31 Mart 2016 Tarihli Faaliyet Raporu indir

Araştırma derinliği Yüzeyden verilen akımın nüfüz derinliği tamamen

Samsung`un hedefi: “3 yıl içinde be

Modifiye Hummers Yöntemiyle Grafen Oksit (GO) Sentezi ve

MALZEMESİ DERSİ-6