otomotiv kompozitleri

Otomotiv Kompozitleri

Grafen Chemical Industries Co., Ankara, TURKEY www.grafen.com.tr

Otomotiv Kompozitleri Snai Deerlendirme Raporu

Grafen Chemical Industries Co. Ankara, Turkey brahim Mutlay, CSO



1. Giri

1886 ylnda Karl Benz'in ilk motorlu arabann patentini almas ve 1913 ylnda montaj hattnn faaliyete gemesi [1] ile efsanevi ykseliine geen otomotiv sanayi herzaman zgn nitelikler tamtr. Bu sanayinin gcnn aslnda ok temel bir insan igdsnden geldii sylenebilir: Bir binek sahibi olmak ve bununla yeryznde dolamak! Sz konusu binek ister bir at ister konumuzu oluturan motorlu tatlar olsun, bu denli temel bir gereksinimi karlayan otomotiv reticilerinin gl ve karl bir konumda bulunmas olduka doaldr. Gnmzde 800 milyon birim says ile dnya nfusunun %12'si seviyesindeki [1,4] tat kullanm oran 2020 ylnda %15'e ykselecektir [4]. Nfus art ile beraber dnlnce otomotiv retimini gayet parlak bir gelecek bekledii iddia edilebilir. Ancak motorlu tatlar sanayi ayn zamanda son 50 yldan da anlalaca zere siyasal, evresel, toplumsal ve iktisadi birok sorun ve basklar altndadr. Mesela 1960'lardaki toplumsal bask karsnda sanayiciler tat gvenlii teknolojilerini iyiletirmek zorunda kalmlardr (ekil 1). Ardndan OPEC lkelerine ilikin siyasal sorunlarla patlak veren petrol krizi yakt fiyatlarnn tavan yapmasna yol at. Tabii ki otomotivciler tekrar masa bana geip verimli rnler tasarlamak iin almalara balad [1]. Henry Ford benzin yakan arabalar evre dostu hale getirmeniz iin yapabileceiniz tek ey onlarn gvdelerini hafifletmektir diyerek aslnda bu soruna kar ok yaln bir zm getirmiti [2]. Gerekten de tat ktlesinde her %10 indirgenmede yakt verimliliinde %6 iyileme olmaktadr [4]. Bunun farknda olan sanayiciler hafif tatlar yapmak iin yola koyuldu. Bu aamada en nemli tasarm devrimlerinden biri body-on-frame (BOF) mimarisinden body-frame-integral (BFI) mimarisine geilmesidir. ok daha hafif olan BFI mimarisinde tm paneller otomobilin mekanik davranna katkda bulunmaktadr. Ayn dnemde tat imalatnda dk-karbonlu eliin yerine daha hafif malzemelerin kullanmna geildi [1]. Yukardaki eilimin devam olarak 30 ylda tat ktlesi yaklak %30 azalm [4]; imalat maliyetleri %50'ye kadar drlmtr [9]. Bu durum nda artk gnmzde tat verimliliini artrmada hafif yap/malzemelerin kullanmnn en gereki yaklam olarak grlmektedir.



ekil 1. 20. yy.'da otomotiv sanayi ve d etkenlerle ilikisi [1].

Otomotiv sanayinde tat arln azaltmak iin bugn en ok kabul gren malzemeler aluminyum, magnezyum ve plastiklerdir (ekil 2) [4]. Tat asisi esasen metalik olduu iin bunlarn hafif ve yksek baarml hale getirilmesinde aluminyum/magnezyum esasl malzemeler tercih edilmektedir. Burada yeni alamlar ve imalat teknolojilerinin uygulanmasyla neredeyse yar yarya hafif ve daha az karmak paralar retilebilmitir [1]. Otomobil gvdesinde de uzun bir sre (1990'lara kadar) yumuak-elik tercih edilmi ancak son yllarda yksek dayanml aluminyum alamlar ve ileri eliklerin gelitirilmesiyle bunlarn yaygnl artmtr [1]. Kara tat yapsnda daha birok metal ksm ve bunlarn hafifletilmesini hedefleyen farkl yaklamlar mevcutsa da bu yazda polimerik esasl otomotiv malzemeleri irdelenecektir.



ekil 2. Tarihsel bir bak asyla otomotiv malzemeleri [1].

izelge 1. Lif takviyeli termoplastiklerin stnlk ve sorunlar (termosetlere kyasla) [8].

stnlk Sorun Yksek dayanm ve darbe direnci leme koullarna bal kristallik Alak emisyon Zayf bas zellikleri Dk nem hassasiyeti Yksek viskozite/emdirme zorluu Yksek retim hz (piirme yok) Lif-polimer yapmas zayf Snrsz raf mr Boyanabilirlik ve yaptrlabilirlikte

sorunlar malat-sonras sl ileme mmkn Yksek ileme scakl-basnc Basit geri-dnm Yksek scaklkta srnme



2. Plastikler ve Kompozitler

lk suni plastik Alexander Parks tarafndan 1862 ylnda Londra'daki Great International Exhibitionda sunuldu. Halk tarafndan Parkesine ad verilen bu malzeme sellozdan tretilmiti ve termoplastikti. Bunu takip eden dnemde birok yeni plastik rn piyasaya srld [3]: 1866 ylnda celluloid; 1907 ylnda Bakelite; 1920 ylnda selofan ve nihaiyaten 1939'da nylon [3]. 1940'larda ounu gnmzde de tandmz poliakrilonitril, neopren, stiren butadien kauuu, polietilen ve dier birok plastik ortaya kt [3]. Ancak polimerlerin asl ykselii ve hayatmz deitirmeye balamas 1950'li yllarda oldu. Artk plastikler en fazla kullanlan malzemedir ve 20. yy'n en devrimsel buluu olarak kabul edilmektedir [3]. Plastiklerin otomotiv sanayindeki mazisi ise 100 yl ncesine kadar uzanmasna karn bu malzemelerin maliyetleri ok uzun bir sre yaygnlamalarn nlemitir [1,3]. Yksek baarml polimerlerin kefi ile kullanma geen polimerik malzemeler, hafiflikleri, yksek dayanmlar, esnek srelerle kolayca retilebilmeleri ve darbe direnleri ile her geen gn otomotiv sanayine daha derin bir biimde nfuz etmektedir [3]. Otomotiv sanayinde ilk dnemde termosetler tercih edilmise de bunlarn retim srelerinde piirme (curing) gibi ar zaman alan bir aama bulunmas ve geri-dntrlmelerinin ok zor olmas onlara olan ilgiyi azaltmtr. Belli zelliklerindeki yetersizliklerine (izelge 1) ramen termoplastikler ise, srad retim hzlar ve son derece basit geri-dnmleriyle termosetleri geerek pazardaki yerini almtr. Gnmzde termoplastikler hafif otomotiv uygulamalarnda en nemli gelimeyi gsteren plastik snfdr [4,5,7]. Termoplastikler zellikle motor aksam paralarnn retiminde baar gstermitir [7]. Termoplastik manifoldlar 1970'lerde ortaya km ve ilerleyen dnemle daha da gelimitir. 2001 ylnda global lekte 18 milyon adet poliamid esasl motor giri manifoldu imal edilmitir [7]. BASF 2005 ylnda lif takviyeli plastiklerin (FRP), metalik manifoldlarn %85'inin yerini alacan belirtmektedir [7]. Bu ve dier motor uygulamalar iin BASF %30 cam lifi takviyeli PA rn Ultramid B3WG6 black 20560 HP'yi piyasaya srmtr. Rhodia Engineering Plastics firmas da motor aksam uygulamalar iin %25-30 cam lifi takviyeli Technyl serisi plastikler sunmaktadr [7]. Bunlarn zellikle radyatr su haznesi vb. stma/soutma paralarnda kullanlabilecei belirtilmektedir. DSM Engineering Plastics ise Akulon ve Stanyl snf PA'leri ile pazardan pay kapmaya almaktadr [7]. Ayrca DSM firmas PA6-Polibutilen tereftalat bileimi Segregate adl yeni rnleriyle halojensiz g tutuurluk ve yksek katlk sunmaktadr [7]. Piyasada birok yksek baarml elastomer mevcutsa da bunlarn UV altnda hzla bozunmalar motorlu tatlarda kullanmlarn snrlandrmaktadr [5]. Bu soruna kar Ticona Engineering Polymers firmas UV sourucular antioksidanlar yardmc koruyuculardan oluan zel katk bileenleri ile snai standartlarn %200' seviyesinde UV direncine sahip elastomerler tasarlamtr. Bu rnlerin otomotiv i plastiklerinin enjeksiyonlu kalplamayla imalatnda baaryla kullanlabilecei bildirilmitir [5]. DSM Engineering Plastics firmas motor aksam plastikleri iin Arnitel snf termoplastik elastomerlerini piyasaya srmtr [5]. Poliasetal (POM) esasl kompozitlerin yksek darbe dayanmlar, tribolojik baarmlar ve kimyasal direnleri ile yakt sistemi bileenleri, sunroof, koltuk paralar, rzgarlk vb. paralarda polipropilen, poliamid ve ksmen de metallerin yerini alabilecei beklenmektedir [5]. Son dnemde ortaya kan polifenilen slfit (PPS) esasl



mhendislik plastiklerinin de, olaanst kimyasal direnleri ile motor soutma aksam vb. uygulamalarda kullanlabilmesi mmkndr. Yararabas motorlarndan esinlenerek 2003 Toyota Crown model arabann motor soutma aksamndaki su ceketinde aromatik poliamid plastik paralarn kullanlmasyla yakt verimi %1 artrlabilmitir [6]. Kauklarla harmanlanm renkli kalplanan termoplastik olefinler (TPO) yksek darbe dayanmlaryla 2006 Buick Lucerne model arabann airbag kapaklarnda kullanlm ve geleneksel boyal kapaklara gre ok daha baarl olmutur [6]. 2006 model DaimlerCrysler PT Cruiser'a ait pencere ykseltme dzeneklerininin tmyle plastikten imal edilmesiyle %25 arlk, %15 maliyet tasarrufu elde edilmi ve kayganltrc kullanm ortadan kaldrlmtr [6]. Otomotiv farlar yksek baarmn yannda kusursuz optik zellikler gerektiren yerlerdir. Bu sebeple far uygulamalarnda zel malzeme zmlerine ihtiya duyulmaktadr. Polikarbonat (PC) esiz optik ve mekanik zellikleriyle 1980'lerden itibren camn yerini almaya balamtr [11]. Tmyle PC sistemlerin retilebilmesiyle daha az karmak/kolay montajlanabilir far bileenleri imal edilmitir. Bylece eski akrilik farlar iin gereken civata vb. balant elemanlarna olan ihtiya ortadan kalkmtr [11]. alma scakl aral -20 140 C civarndaki PC, camn 200 kat darbe dayanmna sahiptir ve geleneksel plastik kalplama teknikleriyle istenilen her geometrideki tasarmlara ekilledirilebilir [11]. Bu zellikleri sayesinde PC'nin yakn gelecekte otomobil pencerelerinde bile camn yerini alaca dnlmektedir [12].

1953 Corvette araba, FRP'lerin geni kullanma getii ilk model olarak kabul edilmektedir [1]. Bu arabann gvde panelleri elle-yatrlm cam lifi hasr ve poliester reineden imal edilmise de bu ve benzeri teknikler yeterli retim hzna sahip deildi [1]. FRP imalatn daha sratli hale getirmek iin bir nihai rn geometrisindeki preform zerine spreyle veya hasr halinde yatrlm liflerin poliester reineyle pres altnda piirilmesi eklindeki teknie geilmitir [1]. Ancak bu teknikle elde edilmi bitmi paralarda da yeterli yzey niteliklerine ulalamam ve bunun zerine yaplan aratrmalar "sheet molding compound (SMC)" tekniini dourmuturr. SMC tekniinde, nceden reineyle emdirilmi lif hasrlar rn geometrisindeki kalplarda dorudan piirilmektedir [1]. 1970'lere kadar kstl ilgi gren FRP'ler ve SMC teknii bu tarihteki petrol krizi ile bir anda hrete kavumutur. yle ki SMC ile FRP retimi 70-80'ler



arasndaki on yl ierisinde 20 milyon kg/yl'dan 45 milyon kg/yl'a ykselmitir [1]. Tm baarsna ramen retim hz yine de dk olan SMC'nin iyiletirilmesi iin vakum-destekli kalplama kullanlmaya balanmtr. Vakum-destekli SMC retim hznn yannda olaanst yzey niteliklerine sahip rnlerin imalatn olanakl klmtr. Bugn termoset SMC kompozitler zellikle GMC Envoy XUV, Hummer H2 ve 2004 Durango gibi lks otomobil pazarnda sz sahibidir [9]. Ford Mustang ve Lincoln Navigator modellerinin kaputu, Explorer Sport Trac modelinin kargo ve yan panelleri, F150 FX Off-Road Series'te d paneller gibi daha birok lks rnde SMC kompozitler kullanmaktadr [9]. Otomobil reticileri karbon lifi sanayindeki gelimelere paralel olarak bu malzemeye daha ok ilgi duymaktadr. BMW ile ABD meneli karbon lifi reticisi Zoltek arasndaki ortaklk antlamas bunun en son ve bariz rneidir [9]. Karbon lifi cama nazaran nemli baarm ve hafiflik stnlklerine sahiptir. Mesela Chevrolet Corvette Z06 Commemorative Edition modeli arabada SMC karbon-epoksi kompozitler kullanlarak cama kyasla %33 arlk tasarrufu elde edilmitir (ekil 4) [9]. DSM firmas da vinil ester-karbon kompozitleri otomotiv piyasasna uyarlamak iin almaktadr [9]. MG Rover XPower SV spor arabalarnn gvde paralarnda karbon lif kompozit kullanmak iin aratrmalar yaplmaktadr [9].

ekil 3. Yapsnda termoset SMC kompozitler barndran Hummer H2 SUT [9].



ekil 4. Chevrolet Corvette Z06 Commemorative Edition modeli arabada SMC karbon kompozitler kullanlm [9].

ekil 5. Cadillac XLR'in d gvde paralarnn byk bir ksm SMC kompozitlerden imaldir [9].

SMC kompozitlerin lks araba pazarndaki hakimiyeti srerken, otomotiv plastiklerindeki genel duruma benzer biimde, kompozitler sahasnda bir baka eilim hzla ataa gemitir. Plastik sanayilerinin en hzl gelien kolu olarak ve neredeyse tmyle kara tatlar retiminde tketilmeleriyle kendini gsteren bu malzeme snf uzun lif takviyeli termoplastiklerdir (LFT) [8,9]. Buradaki uzun sfat bazen karklklara yol



amaktadr. Ancak genelde 2 mm'den uzun liflerle takviyelenmi plastikler LFT olarak kabul edilmektedir (ekil 6) [8]. LFT'lerin gc, 2001 ylndaki -balca otomotivde olmak zere- tketimlerinin 59 milyon kg mertebesine ulamasndan anlalabilir [7]. Getiimiz 20 ylda LFT'ler yapsal otomotiv uygulamalarnda baaryla gelime gstermi malzemelerdendir [8]. LFT'ler dk maliyet ve hafiflik yannda asl stnlklerini yksek retim hzlaryla gsterirler. LFT'ler kullanma getii gemi dnemlerde ounlukla basit uygulamalarda kullanlmken artk n konsol destek sistemleri, kap ve tavan modlleri, koltuk kabuklar, ses-sourma sistemleri kabuklar ve tekerlek tayclar gibi ana bileenlerde kullanlmaktadr [8]. LFT esasl hafif yap tasarm iin farkl malzemeler bulunsa da bunlardan sadece cam lifi-PP bileimi dk fiyatlar ve retim sreleri ile kendini kantlayabilmitir [8]. LFT kavramnn balangc 60'larn sonunda ABD'de PPG/Union Carbide firmas tarafndan Azdel ticari ismiyle satlan cam hasr termoplastiklerle (GMT) olmutur [8]. Ancak 1982'de GMT'lerin Avrupa pazarna girmesiyle ticari gelimeleri arpc biimde hzlanmtr. GMT'ler genelde, ar.%15-40 orannda >12.5-100 mm stnde (bazen de sonsuz boyda) uzunluklarda cam lifleri ieren termoplastik yar-mamullerdir [8]. GMT'lerin otomotiv sanayindeki baars LFT'lere giden kapy am ve uzun lif takviyeli masterbach (LFG) ve dorudan-LFT vb. farkl birok teknik ortaya kmtr [8]. Volkswagen ve DaimlerChrysler bu alandaki gelimelerin 2010'a kadar yllk %10 bymeyle devam edeceini belirtmektedir [9]. Bugnlerde LFT'lerden imal paralarla birok tatta karlamak mmkndr. Porsche Cayenne ve Volkswagen Touareg model arabalarn n yz modlleri LFT'lerden retilmitir. [9]. Polaris Industries firmas da Sportsman 700 Twin model all terrain vehicle (ATV)larnda (ekil 7) LFT paralar kullanarak retim maliyetlerini drmtr [9]. Burada imal edilen yapsal bileenlerin -32 C kadar alak scaklklarda bile alabildii dnlnce LFT'lerin yksek baarm zellikleri aikar biimde grlecektir [9].



ekil 6. Termoplastik kompozitler iin lif uzunluuna bal olarak mekanik zellikler ve maliyetin deiimi [8].



ekil 7. LFT paralar ieren yaplanmasyla Polaris Industries Sportsman 700 Twin all terrain vehicle (ATV) [9].

4. Yeil Malzemeler

lkemizde maalesef, otomotiv malzemelerini yeilletirme abalarnn sadece evresel endielerden kaynakland gibi ar ciddi bir alg hatas bulunmaktadr. Aslnda yeil malzeme akm derin ekonomik etmenlerle alakaldr. Bunlardan balcas yukardaki satrlarda akland zere ara verimliliini artrmaktr. Ancak yeil malzemeler, buraya kadar tarif edilen geleneksel otomotiv malzemelerinden farkl olarak ok daha dk maliyetlidir ve imalat, kullanm ve geri-dnm safhalarnda neredeyse sfr kirlilik emisyonu vererek hem imalatlar hem de tketicileri saysz ilave maliyetten korumaktadr. Misal olarak, aada anlatlacak doal lif takviyeli kompozitler sayesinde pahal takviye liflerine olan ihtiya azalm, retim ilemleri basitlemi/ucuzlam, atk ynetimi maliyetleri dm... ve bylece hem retici hem de tketici iin olumlu bir resim ortaya kmtr. Bu resmin farknda olan Avrupa Birlii 2015 yl itibar ile yeni retilecek tatlarn en az %95 geri-dntrlebilir malzemelerden imal edilmesini zorunlu klmtr [2].



ekil 8. Solda atk otomobil paralar, sada yannda bunlarn ilenmesiyle elde edilen poliolefin esasl yongalar ve aratrmacnn elinde, yongalardan imal edilmi yeni bir otomobil paras [10].

Yukarda anlattmz gibi cam, karbon lifleri ve epoksi reineler ile termoplastikler gibi malzemelerle hafif tatlar yaplarak yakt verimi artrlabilse de bu malzemelerin geri-dnm ok zor olduundan ve/veya retimleri srasnda ciddi boyutlarda evresel yk olutuundan farkl zmler aranmaktadr. Termoplastikler, kolayca eritilip geri-dntrlebilmeleriyle yeni plastik pazarnda daha byk sz sahibi olacaksa da bunlar tek bana yeterli olamamaktadr. Bu kmaza kar nerilen yeil kompozitler, termoplastiklerin doal liflerle hazrlanm kompozitleri, gnmz otomotiv plastikleri pazarndaki en nemli yelerden biridir. Doal lifler, cam lifine kyasla kullanld tat paralarnda arl %40 azaltabilmektedir [2]. Ayrca tabii liflerin retiminde cam elyafndan ok daha alak seviyede enerji tketimi olmaktadr. Madencilik, yksek scaklklarda ileme/ergitme gibi sreleri kapsayan cam lifi retiminde 30 Gj/t mertebesinde enerji sarfiyat gerekleirken bu deer bitki liflerinde 4 Gj/t kadar dktr [2]. Yansra cam, karbon, aramid vb. takviye liflerinin imalatlar srasnda CO2, SOx ve NOx gazlar salnmaktadr. Buna karn doal lifler geliimleri srasnda sourduklarndan daha az miktarda CO2 salm yaptklarndan atmosferdeki karbon ykn azaltrlar [2]. Geleneksel takviye lifleri husunda yaanan bir dier sorun imal edildikleri/ilendikleri sistemleri andrmalar ve alanlara tahri edici etkilerde



bulunmalardr. Ancak doal liflerle bu tr olumsuzluklarn hibirisi sz konusu deildir. Anlatlanlar doal liflerin sadece evresel adan stnlkler gsterdii izlenimini verse de bu malzemeler mekanik ve fiziksel olarak da muhteem zellikler sergiler. Hemp, sisal, flaks, koir, jt, kapok, gibi liflerin kuaklarca yksek dayanmlarnn bilinmesi ve halat imalat gibi alanlarda kullanlmas da bunun en iyi ispatdr. Doal lif takviyeli plastiklerin (NFRP) ticari olarak kabul grmesi 1994 ylnda Mercedes Benz'in E-class tatlarnn i kap panellerinde jt takviyeli kompozitler kullanmasyla oldu. Daimler-Chrysler bugn de NFRP'ler alannda ba ekmekte olup ekil 9-11'de bu tr rnlerine rnek tekil eden yeil kompozitler tantlmtr.

ekil 9. Mercedes Benz S-Class arabadaki doal kkenli kompozitler [13].



ekil 10. Mercedes Benz A-Class arabada camn yerini alm flaks lifi-PP kompozitler [2].

ekil 11. Mercedes-Benz A-Class Mini'de kullanlan muz lifi-PP NFRP'den imal tekerlek taycs [6].



NFRP'ler evresel ve mekanik baarmlarnn yannda ses yaltm, dk salk tehlikesi, enjeksiyon kalplama vb. geleneksel yntemlerle retilebilirlik ve alak maliyet gibi birok mhim tasarm zelliini birarada tamaktadr. Doal liflerin imalat birka zel ancak grece basit aamadan olumaktadr. Tabiattaki yetitikleri bitkisel halleriyle doal lifler maalesef kullanlamamaktadr. Elyafn eldesi iin ilk nce kken bitki nemli ortamda bekletilerek (dew retting) yapsndaki pektinden arndrlr. Ardndan lignin ve hemiselloz hidrotermoliziz ya da alkali ekstraksiyonla giderilmesiyle lifler aa kar [2].

Visteon Automotive Systems firmas heryl binlerce NFRP esasl rn Ford ve Citroen gibi otomotiv devlerine tedarik etmektedir. Firma yetkilileri Avrupa pazarnda flaks-PP kompozitlerin ba ektiini belirtmekte ve bu tr rnlerin tmyle evreci ve geleneksel cam lifli kompozitlerle zde maliyetlerle retilebildiini ilave etmektedir [2]. Visteon ve Technilin firmalar Opel'den gelen zel bir sipari zerine R-Flax adl rn gelitirmitir. Kap panelleri vb. yerlerde kullanlmak zere flaks-PP kompozitten tasarlanan malzeme stn izilme ve UV direnci ile beraber estetik zellikleri buluturmutur. Pazar uzmanlarnn beklentileri NFRP'lerin yakn dnemde sadece tat i plastikleri ile snrl kalmayp yapsal uygulamalarda da kendini gsterecei ynndedir [2]. Ancak doal liflerle ilgili bu hususta, almas gereken baz olumsuzluklar vardr. Tat yaplandrmasnda topyekn doal malzeme kullanm fikri aslnda 1935'e kadar gider. Bu dnemde kat, odun yongas ve doal lif vb. takviyeli fenolik reineler tat gvdelerinde kullanlmak istemi fakat Alman meneli Trabant model arabada da kantland zere bu hedefte olduka baarsz olunmutur. NFRP'lerin darbe dayanmlar dk olup yanma/sl direnleri yetersizdir. Ayrca doal liflerin polimerik malzemelerle yapmas zayftr ve retimi takiben kolayca bozunabilmektedir. Ayrca doal lifler neme ve rmeye kar yeterince ayakta kalamamaktadr. Belirtilen sorunlara ynelik akademik ve snai almalar youn bir ekilde devam etmektedir ve ok yakn bir gelecekte ticari meyvelerini vermeye balayacaktr [2].

Soya, niasta, polilaktik asit gibi evre-dostu polimerlerin bilindik plastiklerin yerini almas iin aratrmalar srse de bunlar doal lifler kadar olgunlua eriememitir [2]. Ancak baz ticari rnekler de yok deildir. Mesela tarm makinalar reticisi John Deere and Co. firmas baz makinalarna ait paralarn imalatnda soya-faslyesi ve msr niastas esasl biyoplastiklerden oluan karmlar kullanmtr. Doal kkenli poliretan reine ieren HarvestFormTM adl sz konusu ticari kompozit ile elie nazaran %25 arlk tasarrufuna ulald belirtilmektedir. Aslnda soya-esasl plastikler 1938 ylnda Henry Ford tarafndan cam lif takviyeli olarak araba gvde paralarnn imalatnda baaryla kullanlmtr. Bununla birlikte Henry Ford'un yeil kompozitlerle ilgili hedefleri 2. Dnya Sava sebebiyle yeterli etkiyi gsterememitir [2]. Bununla birlikte Ford irketi, kurucularnn geleneini srdrmektedir. zellikle soya esasl



kpklerin koltuk sistemlerinde kullanm bulabilecei dnlmektedir [14]. Bu tr koltuklarn uygulanabilirlii Ford U model konsept arabada gsterilmitir (ekil 13) [14].

ekil 12. Soya faslyesi ve msrdan sentezlenmi poliretandan imal yan panelleriyle tarm makinesi [2]

ekil 13. Soya esasl kpklerin kullanld koltuklar ve Ford U konsept araba [14].



5. Nanokompozitler

20. yy.'nin son yllar yeni bir sanayi devrimine, yani nanoteknolojiye tanklk etmi ve yeni binyla bu muhteem gelimeyle girilmitir. 100 nanometre (nm) alt boyutlardaki malzeme ve sistemleri konu alan nanoteknoloji bugne kadar insanolunun grmedii saysz mucizevi zellik ve olguyu sunmas ile phesiz yakn geleceimizin en nemli hareketlerinden biri olacaktr. Bir nanomalzemenin polimer, metal veya seramik gibi bir ortama takviyelendirilmesiyle hazrlanan nanokompozitler nanoteknoloji ierisinde en byk potansiyele ve pazar hacmine sahip ksmdr. Nano sfat ou zaman pahal ve karmak kelimeleriyle zde kabul edilse de aslnda gerek durum bundan epey farkldr. u an pazarda sat halinde otomotiv, ambalaj, tekstil vb. farkl sektrlere ynelik yzlerce rn bulunmaktadr. stelik bunlar imalatlar asndan ou kez dk maliyetli olmasna karn stn baarmlaryla ve nano vurgusu sayesinde yksek fiyatlarla pazarlanabilmektedir. Dolays ile nanokompozit uygulamalarnn genel beklentinin ok stnde bir hzla ilgili sanayilere yaylaca iddia edilebilir.

Nanokompozit imalatnda en byk neme sahip nanomalzemeler nanokiller, karbon nanotpler ve grafen nanopullardr. Nanokiller, nm kalnlnda ve mikron geniliinde levhalar olup doal toprak killerinden sentezlenir. Bu malzemeler hem dk maliyetleri hem yksek mekanik zellikler, gaz bariyer direnci ve yanma dayanm vermesiyle en hzl geliecek grubu oluturur. Zaten General Motors TPO'larn fiziksel zayflklarna karn nanokil takviyesini denemi ve beklediklerinin ok stnde srad bir baar gzlemilerdir. retilen TPO-nanokil nanokompozitler kuramsal hesaplamalarn bile stnde mekanik zellikler sergilemitir [4] u an en byk nanomalzeme tketicilerinden biri olan General Motors nanokompozit kullanm ile hafifliin yannda maliyetlerini drp retim kapasitelerini artrabilmitir (ekil 14) [4]. Karbon nanotpler nanoteknolojinin ah olarak grlmekte ve killerden farkl olarak yksek tokluk ve elektriksel iletkenliin istendii yerlerde tercih edilir. Karbon nanotpleri ieren eitli rnler varsa da byk kapasitelerle retilen, ticari zellikteki ilk karbon nanotp kompoziti getiimiz aylarda BASF firmasnca Ultraform N2320 C ad altnda sunulmutur [17]. Nanotp-poliasetal kompozit bileimli bu plastik malzeme Bosch tarafndan Audi A4 ve A5 model arabalarn yakt filtre haznelerinin imalat iin kullanlmaktadr (ekil 15) [17]. Grafen nanopullar ise karbon nanotplerle zde baarm zellikleri gstermekte ancak nanokillere benzeyen mikroyaplar ve nanotplerden dk maliyetleri ile gze arpmaktadrlar.



ekil 14. General Motors firmasnn tatlarnda nanokompozit uygulamalar. Solda Hummer H2 bagaj yap bileenleri ve sada Chevrolet Impala kap yan ubuklar [4,15,16].

ekil 15. Karbon nanotp kompozitten (BASF-Bosch) imal edilmi Audi A4 ve A5 modellerine ait yakt filtresi haznesi [17]



Global pazardaki bu heyecan verici gelimelere karn lkemizde nanoteknoloji ile ilgili ticari hareketler yok denecek kadar azdr. Nano kavramnn bu denli yabanc olduu lkemiz ortamnda Grafen Chemical Industries Co. (Grafen Co.) yaklak be yldr eitli nanomalzeme ve nanokompozitlerin retim ve tasarmna ynelik Ar&Ge faaliyetleri yrtmektedir. ekil 16'da Grafen Co. tarafndan retilen nanokil-PP masterbatch granller grlmektedir. Maliyetini olduka aa ektiimiz bu malzemenin yksek Young modll paralar ve g tutuurluk uygulamalarnda baaryla kullanlaca beklenmektedir. Grafen Co. sadece nanokompozitler deil baat nanomalzemelerin retimiyle de ilgilenmektedir. Firmamz, niversitelerimizden bile nce bir ilki gerekletirerek ilk yerli grafen nanopul retimini baarmtr (ekil 17-18).

ekil 16. Grafen Co. tarafndan gelitirilen nanokil-PP masterbatch granller.



ekil 17. Grafen Co. tarafndan retilen grafen nanopullar. Solda taramal elektron mikroskobu (SEM) resmi; sada malzemenin plak gzle grnen halini temsil eden fotoraf.

ekil 18. Grafen nanopullara ait 3B AFM resmi.



6. Sonu

Otomotiv plastikleri unsur odanda tasarlanmaktadr: verimlilik, baarm ve zariflik. Tat ktlesini azaltmada dolaysyla da verimlilii iyiletirmede plastikler nihai alternatiftir. Var olan yapsal malzeme zmleri ierisinde plastikler en dk younlua sahip grubu tekil eder. Plastiklerin belki de tek yumuak karn fiziksel baarm/maliyet orandr. Plastiklerle (ileri kompozitler vastasyla), metallerden bile daha salam yaplar kurmak mmknse de byle bir tat kabul edilemeyecek kadar pahal olacaktr. Normal maliyet koullarnda ise plastikler yksek baarm verememekte, bu da onlarn otomobilde ana yk tayan gvdede deil daha ok dier bileenlerde kullanlmalarna sebep olmaktadr. Ancak kompozit malzemeler alanndaki gelimeler sz konusu durumun ksa zamanda deiebileceine iaret etmektedir. Grsellik/tasarlanabilirlik ise kesinlikle plastiklerin esiz olduu yerlerden biridir. zellikle termoplastikler istenilen hertrl ekil ve renkte/grntde retilebilmektedir.

Verilen tasarm kstasn olduka etkin biimde salayan otomotiv plastikleri pazarnda, nmzdeki birka on yllk dnemde en byk ticari neme sahip konular uzun lif takviyeli termoplastikler ve doal lifli kompozitler olacaktr. Nanokompozitler ise termoplastik kompozit teknolojilerine nfuz ederek pazara girecek ve genel kannn aksine hzla hayatmz saracaktr. Plastik paralar muhtemelen daha uzun bir sre gvdede kullanlamayacak fakat dier ksmlara, hatta araba camlarna kadar yaygnlaacaktr.

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



[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_Plastics/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 S-Class, DaimlerChrysler Communications, www.daimlerchrysler.com

[14] http://eprints.internano.org/55/

[15] http://www.worldcarfans.com/104102110118/hummer-h2-sut-sports-lightweight-nanocomposite-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

otomotiv kompozitleri

Documents