اختصاصی بسپار/ خودرو بدون فلزات، باز هم پای پلیمرها در میان است …
بسپار/ ایران پلیمر خودرو را معمولاً با فلز، موتور، چرخ و شیشه می‌شناسیم. اما اگر قرار باشد آن را نه از منظر مصرف‌کننده، بلکه از نگاه یک متخصص مواد باز کنیم، تصویر متفاوتی پیش روی ما قرار می‌گیرد. در خودروی امروزی، بسپارها دیگر صرفا موادی برای ساخت قطعات تزئینی یا پوشش‌های داخلی نیستند. از سپر و داشبورد گرفته تا قطعات موتور، سامانه‌های سیالات، اتصالات، عایق‌های الکتریکی، آب‌بندی‌ها و بسیاری از اجزای پنهان، خانواده‌های مختلف بسپارها بخشی از عملکرد خودرو را بر عهده دارند. مرورهای علمی نیز نشان می‌دهند که گسترش استفاده از بسپارها در خودرو با عواملی مانند کاهش وزن، آزادی بیشتر در طراحی، مقاومت در برابر خوردگی، قابلیت شکل‌دهی و دستیابی به عملکرد موردنیاز قطعه ارتباط مستقیم دارد.
چرا در آن نقطه از خودرو، یک بسپار انتخاب شده است؟
پاسخ همیشه یکسان نیست. گاهی کاهش وزن تعیین‌کننده است، گاهی مقاومت در برابر ضربه، گاهی پایداری ابعادی، گاهی مقاومت در برابر دمای بالا و سیالات و گاهی نیز ترکیبی از قیمت، فرایندپذیری، ظاهر و دوام. برای نمونه، پلی‌پروپیلن به دلیل نسبت مناسب میان جرم، قیمت و خواص مکانیکی در بسیاری از قطعات خودرو کاربرد دارد، در حالی که بسپارهای مهندسی مانند پلی‌آمید، پلی‌بوتیلن ترفتالات و پلی‌فنیلن سولفید، در جایی مطرح می‌شوند که نیازهای حرارتی، مکانیکی یا شیمیایی سخت‌گیرانه‌تری وجود دارد.
از همین‌جا، داستان بسپار در خودرو از یک فهرست ساده مواد و قطعات فاصله می‌گیرد و به مسئله‌ای مهندسی تبدیل می‌شود: انتخاب ماده برای یک عملکرد مشخص. یک قطعه بسپاری باید در محیط واقعی خودرو، از چرخه‌های حرارتی و رطوبت گرفته تا ارتعاش، تابش فرابنفش، تماس با روغن و سوخت یا مواد شیمیایی و بارهای مکانیکی، عملکرد خود را حفظ کند. بنابراین، ماده، طراحی قطعه، فرایند شکل‌دهی و حتی طراحی قالب را نمی‌توان جدا از یکدیگر بررسی کرد.
از سوی دیگر، سبک‌سازی خودرو یکی از مهم‌ترین محرک‌های توسعه مواد بسپاری و کامپوزیتی بوده است. کاهش وزن با کاهش انرژی موردنیاز حرکت ارتباط دارد و در خودروهای برقی نیز موضوع وزن خودرو همچنان از منظر بهره‌وری انرژی و مسافت طی شده اهمیت دارد. به همین دلیل، روند توسعه مواد سبک‌وزن در صنعت خودرو تنها به جایگزینی یک قطعه فلزی با قطعه بسپاری محدود نمی‌شود. ؛ بلکه به سمت طراحی چندماده‌ای، کامپوزیت‌های تقویت‌شده و بسپارهای مهندسی با عملکرد بالاتر حرکت کرده است.
اما این داستان یک سویه دیگر هم دارد. هرچه تعداد، تنوع و پیچیدگی مواد بسپاری در خودرو افزایش پیدا می‌کند، مسئله پایان عمر خودرو نیز پیچیده‌تر می‌شود. یک مطالعه جدید، جرم بسپار موجود در یک خودروی معمولی را بیش از ۲۰۰ کیلوگرم پلاستیک و شامل بیش از ۲۳ نوع بسپار گزارش کرده است. تنوعی که جداسازی و بازیافت را دشوار می‌کند. اتحادیه اروپا نیز در مقررات جدید خود برای خودروهای پایان‌عمر، طراحی برای جداسازی و بازیافت و افزایش استفاده از مواد بازیافتی را به بخشی از الزامات چرخه عمر خودرو تبدیل کرده است. از جمله هدف حداقل ۱۵ درصد محتوای بسپار بازیافتی در خودروهای جدید از سال ۲۰۳۲ و ۲۵ درصد از سال ۲۰۳۶.
بنابراین، برای شناخت نقش واقعی بسپارها در صنعت خودرو، شاید بهتر باشد خودرو را یک‌بار از نو «باز کنیم»، نه با آچار، بلکه با نگاه مهندسی مواد. در این گزارش، خودرو را برای بسپارها باز می‌کنیم.
۱. کابین،چرا خودروهای امروز اینقدر پلاستیکی شده‌اند؟
اولین جایی که حضور گسترده بسپارها به چشم می‌آید، کابین است. داشبورد، کنسول، رودری، قطعات تزئینی، قاب‌ها، اجزای صندلی و مجموعه‌ای از قطعاتی که شاید در نگاه اول حتی «قطعه مهندسی» به نظر نرسند، حاصل انتخاب و مهندسی مواد بسپاری هستند. در یک مرور تخصصی، برای داشبورد و مجموعه ابزار موادی مانند ABS ، PC و آلیاژ ABS/PC و برای تزئینات داخلی موادی مانند ABS، PET و POM گزارش شده است PP، PAو ABS نیز در بخش‌هایی از صندلی و اجزای داخلی کاربرد دارند.
دلیل این حضور گسترده را نباید تنها در قیمت پایین‌تر پلاستیک جست‌وجو کرد. کابین خودرو مجموعه‌ای از الزامات را هم‌زمان مطرح می‌کند: قطعه باید سبک باشد، شکل هندسی پیچیده را با دقت تولید کند، سطح مناسب و ظاهر پایدار داشته باشد، در برابر خراش و سایش مقاومت کند و در طول عمر خودرو تحت تغییرات دما و رطوبت، تغییر شکل نامطلوب نداشته باشد. در برخی کاربردها، جذب ارتعاش و صدا نیز اهمیت پیدا می‌کند. بنابراین بسپار در کابین نه صرفا به‌عنوان جایگزین فلز، بلکه به‌عنوان ماده‌ای با قابلیت مهندسی هم‌زمان خواص مکانیکی، ظاهری و آکوستیکی انتخاب می‌شود.
یکی از نمونه‌های مهم در کابین، فوم‌های پلی‌یورتان است. فوم انعطاف‌پذیر پلی‌یورتان ماده اصلی بالشتک صندلی خودرو محسوب می‌شود و علاوه بر صندلی، در قسمت‌هایی مانند پشت‌سری، زیرآرنجی، سقف و بسته‌های آکوستیکی نیز استفاده می‌شود.
در نتیجه، «پلاستیکی شدن» کابین را بهتر است نه نشانه جایگزینی ساده فلز با پلاستیک، بلکه نتیجه تکامل مهندسی خودرو دانست. جایی که ماده باید هم‌زمان سبک، شکل‌پذیر، بادوام و متناسب با الزامات آسایش و ایمنی سرنشین باشد.
۲. موتور، کدام بسپارها توان تحمل محیط موتور را دارند؟
اگر کابین محیطی نسبتاً کنترل‌شده برای بسپارهاست، محفظه موتور داستان دیگری دارد. دما، ارتعاش، تماس با روغن و سوخت، سیالات خنک‌کننده، چرخه‌های مکرر گرم و سرد شدن و محدودیت فضای نصب، محیطی ایجاد می‌کنند که هر ماده بسپاری توان تحمل آن را ندارد.
اینجا است که تفاوت میان پلاستیک‌های عمومی و بسپارهای مهندسی اهمیت پیدا می‌کند. پلی‌آمیدها، PBT و برخی بسپارهای مهندسی دیگر به دلیل ترکیبی از استحکام، پایداری حرارتی، مقاومت شیمیایی و پایداری ابعادی در قطعات مختلف خودرو به‌کار گرفته می‌شوند. در مرور جامع مواد بسپاری خودرو، PA و PBT در قطعات زیر درپوش موتور و PA، POM و PBT در سامانه‌های سوخت و سیالات گزارش شده‌اند.
اما انتخاب این مواد مطلق نیست. برای مثال، پلی‌آمیدها اگرچه استحکام و مقاومت حرارتی مناسبی دارند، جاذب رطوبت‌اند و جذب آب می‌تواند بر سختی و پایداری ابعادی آنها اثر بگذارد. بنابراین در یک قطعه واقعی، مهندس ماده را بر اساس مجموعه شرایط کاری انتخاب می‌کند، نه فقط یک عدد از جدول خواص.
همین مسئله باعث شده است که در برخی قطعات، بسپارهای تقویت‌شده با الیاف شیشه یا مواد معدنی جایگاه مهمی پیدا کنند. افزودن تقویت‌کننده می‌تواند سختی و استحکام را افزایش دهد و ماده را برای کاربردهایی آماده کند که پلاستیک غیرتقویت‌شده پاسخ‌گوی آنها نیست. در واقع، یکی از مسیرهای اصلی توسعه قطعات بسپاری خودرو، عبور از «پلاستیک ساده» به سمت آمیخته‌های بسپاری و کامپوزیت‌های مهندسی‌شده بوده است.
بنابراین، پرسش «آیا پلاستیک می‌تواند جای فلز را در موتور بگیرد؟» پاسخ یکسانی ندارد. پاسخ واقعی به دما، بار، محیط شیمیایی، عمر مورد انتظار، روش تولید و هزینه بستگی دارد. هر جایگزینی موفق، در واقع حاصل تطبیق دقیق ماده، طراحی قطعه و فرایند تولید است.
۳. بدنه، پلاستیک کجا جای فلز را گرفته است؟
در بدنه خودرو، داستان بسپار بیش از هر جا با سبک‌سازی و جذب انرژی گره خورده است. سپر یکی از شناخته‌شده‌ترین نمونه‌هاست. اما کاربرد مواد بسپاری به سپر محدود نیست و قاب چراغ، جلوپنجره، قطعات تزئینی خارجی، برخی قطعات زیر بدنه، گلگیرها و اجزای مختلف بیرونی نیز می‌توانند از مواد بسپاری یا کامپوزیتی ساخته شوند. مواد بسپاری خودرو، موادی مانند PP، TPO، PC/PBT، ABS، PA و PU برای مجموعه‌های خارجی خودرو می‌باشند.
سپر نمونه خوبی برای فهم چرایی انتخاب بسپار است. یک گزارش درباره بازیافت پلاستیک خودرو بیان می‌کند که سپرهای خودروهای مختلف عمدتاً از پلی‌الفین‌ها تشکیل شده‌اند و PP سهم غالب را دارد. در این ساختار، افزودن موادی مانند EPDM به PP می‌تواند به افزایش مقاومت ضربه‌ای و اصلاح خواص ماده کمک کند.
این انتخاب تصادفی نیست. سپر باید در عین سبکی، قابلیت تغییر شکل و جذب انرژی داشته باشد و بتوان آن را در هندسه‌ای پیچیده و با تیراژ بالا تولید کرد. در سامانه سپر نیز میان پوشش سپر، جاذب انرژی و تیر تقویتی تفاوت عملکرد وجود دارد و نمی‌توان همه آنها را با یک ماده یکسان ساخت.
در اینجا مفهوم سبک‌سازی نیز اهمیت پیدا می‌کند. مواد بسپاری و کامپوزیتی به دلیل چگالی پایین‌تر از بسیاری از فلزات، امکان کاهش وزن قطعه را فراهم می‌کنند. با این حال، سبک‌تر شدن ماده به‌تنهایی به معنای سبک‌تر شدن خودرو نیست. افزایش تجهیزات رفاهی، ایمنی و الکترونیکی در نسل‌های جدید خودرو می‌تواند بخشی از دستاورد سبک‌سازی را خنثی کند. بنابراین مسئله امروز صنعت خودرو صرفاً «جایگزینی فلز با پلاستیک» نیست، بلکه طراحی بهینه کل سامانه است.
۴. برق و الکترونیک، با افزایش تجهیزات الکترونیکی، مصرف بسپارها چه تغییری کرده است؟
خودروهای امروزی از نظر الکترونیکی بسیار پیچیده‌تر از نسل‌های قدیمی‌اند. افزایش واحدهای کنترل، حسگرها، سامانه‌های ارتباطی و تجهیزات برقی به معنای افزایش تعداد اتصالات و اجزای الکتریکی نیز هست. اینجا بسپارها نقش مهمی دارند، اما این بار نه الزاماً به‌عنوان یک قطعه بزرگ، بلکه به‌عنوان عایق، محفظه، نگهدارنده و ماده سازنده اتصال‌دهنده‌ها.
PBT و PA از جمله بسپارهای مهم در قطعات الکتریکی خودرو هستند. PBT به دلیل پایداری ابعادی، جذب رطوبت نسبتا پایین، مقاومت حرارتی و خواص الکتریکی مناسب در کاربردهای الکتریکی و خودرویی استفاده می‌شود. برخی گونه‌های اصلاح‌شده این ماده در کانکتورها، کلیدها، سوکت‌ها و محفظه‌های الکتریکی به‌کار می‌روند.
اما افزایش تجهیزات الکترونیکی فقط مقدار بسپار را تغییر نداده، سطح عملکرد مورد انتظار از ماده را نیز بالا برده است. یک اتصال‌دهنده خودرو باید در برابر ارتعاش، تغییرات دما، رطوبت و سایش مکانیکی دوام بیاورد و هم‌زمان عملکرد الکتریکی خود را حفظ کند. گزارشی دوام اتصال‌دهنده‌های خودرو نشان می‌دهد که با رشد خودروهای برقی و هیبریدی، سامانه‌های سیم‌کشی پیچیده‌تر شده و نیاز به اتصالات سبک، قابل اعتماد و بادوام افزایش یافته است.
در برخی کاربردها، مقاومت در برابر شعله نیز به یکی از الزامات مهم تبدیل می‌شود. PBT و PA در حالت خالص الزاماً همه الزامات اشتعال‌پذیری مورد نیاز برخی قطعات را برآورده نمی‌کنند و برای رسیدن به طبقه‌بندی‌های مناسب، ممکن است با سامانه‌های کندسوزکننده اصلاح شوند.
پس افزایش الکترونیک خودرو، بازار بسپار را نه فقط از نظر مقدار مصرف، بلکه از نظر نیاز به مواد مهندسی‌شده‌تر و قابل اعتمادتر تغییر داده است.
۵. خودرو برقی، حذف موتور احتراقی چه چیزی را برای صنعت بسپار تغییر می‌دهد؟
با ورود خودروهای برقی، بخشی از نقشه سنتی مواد در خودرو تغییر می‌کند. دیگر خبری از همان معماری موتور احتراقی، سامانه سوخت و بسیاری از قطعات وابسته به آن نیست. در مقابل، باتری، موتور الکتریکی، تجهیزات الکترونیک قدرت و سامانه‌های مدیریت حرارتی اهمیت بیشتری پیدا می‌کنند.
نویسنده: مهندس گلرخ فرد ذوالفقاری، دانشجوی دکتری مهندسی پلیمر
(ادامه دارد …)
متن کامل این مقاله را در شماره 288 ماهنامه بسپار که در نیمه مهرماه 1405 منتشر می شود، می خوانید.
در صورت تمایل به دریافت نسخه نمونه رایگان و یا دریافت اشتراک با شماره های ۰۲۱۷۷۵۲۳۵۵۳ و ۰۲۱۷۷۵۳۳۱۵۸ داخلی ۳ سرکار خانم ارشاد تماس بگیرید. نسخه الکترونیک این شماره از طریق طاقچه و فیدیبو قابل دسترسی است.
