کاربرد نانوکامپوزیت‌های پلیمری در صنعت خودرو

 

صنعت كامپوزيت يكي از صنايع رو به رشد در عرصة مواد مهندسي است. نانوكامپوزيت­ها امروزه به خاطر مزايايي كه نسبت به فلزات دارند، توسعة زيادي پيدا كرده­اند. از این جمله مي­توان به توسعه و كاربرد قطعات نانوكامپوزيتي در صنعت خودرو اشاره كرد.
نانوكامپوزيت­هاي مورد استفاده در صنعت خودرو بيشتر از نوع نانوكامپوزيت­هاي زمينه پليمري هستند. اين نانوكامپوزيت‌ها از مواد ترمو­ست (گرما­سخت)[1] و ترمو­پلاستيك[2] (گرما­نرم) تشكيل شده­اند كه توسط نانومواد گوناگون تقویت می‌شوند.

به علت مزايايي كه قطعات كامپوزيتي نسبت به قطعات فلزي دارند و صرفه­جويي­هايي كه در اثر استفاده از آن‌ها ايجاد مي­شود، هر روز قطعات بيشتري از خودرو به قطعات كامپوزيتي تبديل مي­شود. در فلزات، ريخته­گري با ضخامت‌هاي كم، امکان پذیر نیست. اگر با ورق نيز به شكل­دهي قطعه بپردازيم، دور­ريز زياد است و تولید ضايعات زيادی دربردارد. در صورتي كه براي كامپوزيت­ها اين محدوديت وجود ندارد و به خاطر قدرت سيلان بالا مي­توانند تمام قالب را پر كرده و شكل قطعه مورد نظر را كامل كنند.

سبکی، خواص مکانیکی بالا و افزایش عمر قطعات، مقاومت در برابر خوردگی، سرمایه گذاری کمتر در تولید نسبت به قطعات فلزی، سهولت تولید با ماشین آلات کمتر و تعداد بیشتر، و مواردی از این دست، تنها بخشی از مزایایی هستند که خودروسازان را به سمت استفاده از مواد کامپوزیتی و نانوکامپوزیتی سوق می‌دهند [1].

از جمله کاربردهای نانوکامپوزیت‌های پلیمری در صنعت خودرو می‌توان به استفاده از این مواد در ساخت قطعات و چارچوب‌های داخلی و خارجی خودرو، استفاده در روکش‌ها و رنگ‌ها و پوشش‌های خودرویی، کاربرد در منسوجات مورد استفاده در خودرو جهت کاربردهای ضد آب و لک و دوده و نیز حفظ بهداشت خودرو، استفاده در تایرها و پیل‌های سوختی و موارد بسیاری از این دست اشاره نمود که تحولی بنیادین در صنعت خودرو را رقم زده‌اند.

گزارش پیش رو به کاربردهای نانوکامپوزیت‌های پلیمری در صنعت خودرو می‌پردازد. این گزارش ابتدا به طور مختصر به نانوکامپوزیت‌ها و جایگاه آن‌ها در صنعت خودرو پرداخته و پس از بیان تاریخچه مختصر این موضوع، در ادامه به برخی نمونه‌های تجاری کاربرد این دسته از مواد اشاره می‌کند. سپس با رویکردی کاربرد محور، کاربردهای عمده این مواد در صنعت خودرو به تفکیک مطرح شده و مورد بحث قرار می‌گیرد. در انتها نگاهی مختصر به فناوری‌های آینده داشته و بازار این دسته از مواد مورد ارزیابی قرار می گیرد.

 

 

 

2- نانوکامپوزیت‌های پلیمری و جایگاه آن‌ها در صنعت خودرو [2]

2-1- نانوکامپوزیت پلیمری چیست؟

نانوکامپوزیت‌های پلیمری مواد چندفازی هستند که درون ساختار خود حاوی نانوذرات می‌باشند. این مواد می‌توانند پایه پلیمری و یا غیر پلیمری داشته باشند. این مواد فرصت‌های جدیدی در حوزه مهندسی مواد ایجاد کرده، ویژگی مواد اولیه موجود را تا چند ده برابر افزایش داده، و امکان بهبود بسیار زیاد ویژگی‌های ساختارهای کامپوزیتی را فراهم می‌آورند.

این ویژگی‌ها (شامل ویژگی‌های مکانیکی، الکتریکی و حرارتی) بسته به ترکیب مواد مورد استفاده در سنتز کامپوزیت تغییر می‌کنند. استفاده از این مواد در سپر خودرو، مخزن گاز و پنل های داخلی و خارجی خودرو متداول است. در شکل 1، به طور شماتیک بخش های دارای قابلیت، جهت استفاده از نانوکامپوزیت های پلیمری در خودرو، نمایش داده شده است.

شکل1- نمایشی از کاربرد اجزای نانوکامپوزیتی پلیمری در خودرو [3]

انتقال از میکروذرات به نانوذرات موجب ایجاد تغییرات بسیار زیادی در ویژگی‌های فیزیکی می‌شود. به عنوان مثال نانوکامپوزیت‌های حاوی ذرات خاک رس نانومتری، دارای مقادیر بسیار کمی (کمتر از 10 درصد) از این ذرات هستند. این مواد ویژگی‌های مکانیکی و حرارتی رزین پایه را بهبود بخشیده و برای نمونه، عملکرد انسدادی و مقاومت آتش‌گیری آن را افزایش می‌دهند. تمام این مزایا بدون افزایش چگالی یا تأثیر منفی روی سایر ویژگی‌های پلیمر حاصل می‌شوند. در جدول 1 انواع، خواص، مزایا و مشکلات موجود بر سر استفاده از نانوکامپوزیت‌ها به اختصار بیان شده است.

جدول 1- مروری بر نانوکامپوزیت‌ها [2]

مروری بر نانوکامپوزیت‌ها
بخش	توضیحات
انواع	سامانه‌های شبکه‌ای سه بعدی همچون زئولیت‌ها؛ مواد دوبعدی لایه‌ای همچون رس‌ها، اکسیدهای فلزی، فسفات‌های فلزی، کالکوژنیدها؛ مواد یک بعدی و صفربعدی همچون n(-Mo3Se3)، زنجیره‌ها و خوشه‌ها؛
مواد و ویژگی‌ها	نانورس‌ها سفتی بالاتر، مقاومت در برابر آتش، نفوذناپذیری در برابر گازها، پایداری حرارتی. نانولوله‌های کربنی استحکام بالا، الاستیسته، چقرمگی، دوام، رسانایی بدون ایجاد سیاهی. نانوذرات فلزی مقاومت کششی، حرارتی، شیمیایی و ضربه‌ای بالا (تمام این ویژگی‌ها با افزودن مقدار کمی از نانوذرات حاصل می‌شود) نانوصفحات گرافنی ایجاد رسانایی، استحکام و ویژگی انسدادی با هزینه پایین‌تر از نانولوله‌های کربنی. فولرین‌ها افزایش استحکام، عمل کردن به عنوان حس کننده  اکسیژن برای الگودهی نیمه رساناها، مقاومت در برابر حرارت.
اثرات اندازه	استفاده از نانومواد با مشخصه‌های زیر، ویژگی‌های نانوکامپوزیت‌ها را تعیین می‌کنند: کمتر از 5 نانومتر برای فعالیت‌های کاتالیزوری؛ کمتر از 20 نانومتر برای تولید مواد مغناطیسی سخت؛ کمتر از50 نانومتر برای تغییر ضریب شکست؛ کمتر از 100 نانومتر برای ایجاد ابرمغناطیس، تقویت مکانیکی، یا محدودکردن حرکات ماده بستر؛
مزایا	مقاومت کششی و خمشی بالاتر برای ابعاد یکسان قطعات پلیمری؛ کاهش وزن برای ایجاد عملکرد یکسان؛ پایداری ابعادی بالا؛ ویژگی انسدادی بالاتر در برابر گازها برای ضخامت یکسان از فیلم یا جداره پلیمری؛ مقاومت در برابر آتش؛ استحکام مکانیکی بالاتر؛ رسانایی الکتریکی بیشتر؛ مقاومت شیمیایی بالاتر.
مشکلات اصلی	پخش کردن: نانوذرات و نانولوله‌ها در اثر نیروهای واندروالسی تمایل به توده‌ای شدن دارند. اولین گام در راه فراوری نانوکامپوزیت‌ها پخش یکنواخت نانومواد است. همانند مشکل توده‌ای شدن نانوذرات، لایه لایه کردن رس‌ها و لایه‌های گرافیتی نیز برای تولید کامپوزیتی یکنواخت ضروری است. نظم دهی و چیدن: به دلیل اندازه کوچک نانولوله‌ها، چینش و نظم‌دهی آن‌ها در یک بستر پلیمری دشوار است. فقدان کنترل روی جهت‌گیری این ذرات، اثر آن‌ها روی تقویت ویژگی‌های ساختاری و عملکردی پلیمرها را کاهش می‌دهد. حجم و سرعت تولید: تولید سریع و حجیم نانوکامپوزیت‌ها برای تبدیل آن‌ها به یک محصول تجاری رقابت پذیر ضروری است. توسعه نانوکامپوزیت‌ها در آینده به افزایش کارایی تولید وابستگی بسیار زیادی دارد. هزینه: هزینه تولید نانوکامپوزیت‌ها به هزینه نانومواد تقویتی مانند نانولوله‌ها بستگی دارد. با این حال با افزایش حجم تولید توسط شرکت‌های بزرگ بین المللی، هزینه این مواد در حال کاهش است.

 

2-2- تاریخچه کاربرد نانوکامپوزیت‌ها در خودرو

صنعت خودرو مثال خوبی از اثربخشی نیرومند نانومواد در یک صنعت خاص است. شرکت تویوتا موتور، پوشش تسمه تایم[3] را برای ماشین‌های تویوتا کمری از نانوکامپوزیت نایلون 6-رس (1991) با همکاری صنایع Ube، تهیه کرد که نمونه‌ای از آن را در شکل 2، می‌توان مشاهده نمود [4]. فیات به سمت تولید تک لایه‌های خودآرا سوق داده شد و جنرال موتورز و تویوتا کاربرد کامپوزیت‌های مبتنی بر نانولوله‌های کربنی را تجاری کرده‌اند [4]. شرکت یونی تیکای[4] ژاپن-نانوکامپوزیت نایلون6-رس را برای پوشش‌های موتور در موتورهای میتسوبیشی مورد استفاده قرار داده است [5]. جنرال موتورز[5] در همکاری با بازل[6]، برای سافاری[7] و ون‌های آستروی شورلت[8] (2002) پلی‌الفین تقویت شده با 3% نانورس را مورد استفاده قرار داد [6].

قالب کناری خودروی شورلت ایمپالا[9] (کاهش 7 درصدی وزن خودرو و بهبود کیفیت سطحی در مقایسه با [10]TPO و افزایش مقاومت در برابر آسیب و خراش)، کفی بخش بار خودروی 2005 جنرال موتور، و روکش موتور (میتسوبیشی) نمونه‌هایی دیگر از کاربردهای نانوکامپوزیت‌ها در صنعت خودروست که طی سال‌های اخیر تجاری‌سازی شده‌اند [2].

 

شکل2- پوشش تسمه تایم [7]

اکنون، توجه بخش عمده صنعت خودرو به کاربردهای هوشمند فناوری نانو، برای مثال لاستیک‌های هوشمند مبتنی بر نانولوله‌ها معطوف شده است. انتظار می‌رود در آینده صنعت خودرو، روان کننده‌های بهبود یافته، پیل‌های سوختی سبک‌تر، مواد قوی‌تر و در عین حال سبک‌تر، کاتالیزورها، فیلترهای نانوحفره‌ای، شیشه جلوی اتومبیل خود تمیز شونده، رنگ‌های خود ترمیم شونده، حفاظت از خوردگی و تغییر رنگ نقاشی برای ماشین‌ها را گسترش دهد. مواد بنیادی، طیف وسیعی از کاربردها را در برمی‌گیرند. بنابراین نانوموادی با قابلیت تطبیق با ماشین آلات جدید و قدیمی ساخته شده و می‌شوند [8]. در جدول 2، نمونه‌هایی کاربردی از قطعات و سامانه‌های نانوکامپوزیتی ارائه شده است که در هریک ویژگی بارزی وجود دارد و در راستای دستیابی به آن مشخصه، راهکاری نانوفناورانه در پیش گرفته شده است.

جدول 2- ویژگی‌ها، تولید و کاربرد نانوکامپوزیت‌های پلیمری [2]

ویژگی‌ها، تولید و کاربرد نانوکامپوزیت‌های پلیمری
ویژگی	راهکار نانوکامپوزیتی	کاربرد
فیزیکی/شیمیایی
تراوایی	افزودن فلس‌های سیلیکاتی یا گرافیتی نفوذناپذیر با نسبت‌های ابعادی بالا به رزین.	مخازن برودتی، ماندگاری اجزای قابل انتشار، باک سوخت
مقاومت اکسیداسیونی	وارد کردن پرکننده‌های دما بالای مقاوم در برابر اکسیداسیون (سیلیکات، نانولوله کربنی، POSS و غیره) به رزین یا استفاده از آن‌ها به عنوان روکش؛ این پرکننده‌ها لایه‌های غیرفعال کننده یا کُندکننده اکسیداسیون را شکل می‌دهند.	سامانه‌های مقاوم حرارتی؛ مقاومت در برابر اکسیژن اتمی
الکتریکی
ESD[11]	افزودن ذرات رسانا با نسبت‌های ابعادی بالا همچون نانولوله‌های کربنی، فلس‌های گرافیتی، فلزات و غیره به عنوان شبکه به هم پیوسته در رزین میان الیاف رسانا.	چسب‌ها، روکش‌ها، پرکننده‌های شکاف، سامانه‌های سوخت، افزایش قابلیت‌رنگ‌پذیری
برقگیر (صاعقه زدگی)	وارد کردن نانوپرکننده‌های رسانا (نانورشته‌های نیکل، نانولوله‌های کربنی و …) به عنوان روکش‌های یکپارچه در رزین‌ها یا پوشش‌هایی که می‌توانند مقادیر بالایی از بار الکتریکی را حمل نمایند و حالت‌های شکست کنترل شده‌ای دارند.	کامپوزیت خارجی هواپیما
حرارتی
رسانایی حرارتی	افزودن ذرات رسانای حرارتی (نانولوله‌های کربنی، فلزات،…) به رزین و بهینه‌سازی ساختار برای انتقال حرارت در یک مسیر پیوسته به سینک حرارتی.	چسب‌ها، واشرها، رادیاتورها، صفحات الکترونیکی، حرارت‌زدایی از لیزر حالت جامد.
سامانه‌های حفاظت حرارتی	استفاده از نانوپرکننده‌های رسانا و عایق درون رزین برای کمک به قطعات ساختاری در رفع حرارت از سامانه‌های حفاظت شده	ترمزهای هواپیما، بخشی از فضاپیما که دوباره به درون جو زمین بازمی‌گردد، موشک‌ها.
ضریب انبساط حرارتی	وارد کردن نانوپرکننده‌های دارای ضریب انبساطی پایین با قابلیت برقراری پیوند خوب با بستر پلیمری (نانولوله‌های کربنی عاملدار، نانوالیاف کربنی، سیلیکات‌ها، …) به درون رزین یا به عنوان آهار الیاف برای کاهش عدم تطابق ضریب انبساط حرارتی با الیاف از طریق اثر کامپوزیتی و جلوگیری از حرکت پلیمر.	چسب‌ها
مکانیکی
چقرمگی	افزودن نانوپرکننده‌هایی همچون نانولوله‌های کربنی به رزین برای افزایش پراکنش انرژی در هنگام شکست از طریق تغییرشکل، جابجایی، ایجاد پل در نقاط ترک و … در لایه‌های مورد نیاز	ساختارهای غشایی، ساختارهای مقاوم در برابر آسیب دیدگی
مدول	افزودن نانوذرات دارای مدول بالا همچون رشته‌ها یا ورقه‌های نانولوله کربنی پیوسته به عنوان افزودنی تقویتی یا تقویت اتصال میان لایه‌ها برای افزایش مدول‌های صفحه‌ای.	ساختارهای بسیار دقیق پایدار
مقاومت فشردگی	افزودن نانوذرات دارای استحکام بسیار بالا همچون نانولوله‌های کربنی عاملدار به رزین.	مخازن پیشران، واشرها
فشار برشی سطحی	رشد نانوذرات دارای استحکام بالا همچون نانولوله‌های کربنی استفاده از الیاف برای تنظیم ویژگی‌های تماس سطحی به عنوان آهار هوشمند.	کامپوزیت‌های دما بالا، سیستم پایش سلامت خودرو
مقاومت برشی میان لایه‌ای	افزودن نانوپرکننده‌هایی همچون نانولوله‌های کربنی به درون لایه‌های رزین از طریق روکش‌دهی یا پیش آغشته‌سازی؛ این افزودنی‌ها می‌توانند در هنگام شکست، انتشار انرژی را از طریق تغییر شکل، جابجایی، ایجاد پل در نقاط ترک، … افزایش دهند.	ساختارهای لوله‌ای

 

3- پیش‌ران های بازار در حوزه نانوکامپوزیت‌ها

در این بخش به عوامل پیش برنده و انگیزه‌های به کارگیری نانوکامپوزیت‌ها و نیز مزایای این کاربرد در حوزه‌های مختلف صنعت و بازار خودرو پرداخته می ‌شود.

• نوآوری در مواد

تقاضا برای قطعات قوی‌تر، سخت‌تر، سبک‌تر و بادوام‌تری که با استانداردهای کیفی سختگیرانه مطابقت داشته باشند، وجود دارد. برای ایجاد پیشرفت در زمینه فناوری‌های مربوط به نیروی محرکه (خودروهای برقی، فناوری دیزلی تمیز، خودروهای هیبریدی و پیل‌های سوختی)، مواد جدیدی مورد نیاز است. استفاده از نانومواد امکان بهبود عملکرد، افزایش طول عمر، بهره‌وری بالاتر مصرف انرژی، ظاهر منحصر به فرد، اندازه کوچک‌تر و نوآوری در خودروها را فراهم می‌آورد. از این مواد برای پاسخ به نیازهای صنعت خودروسازی در آینده همچون کاهش گازهای خروجی از اگزوز، صرفه جویی در مصرف سوخت، عملکردها و معماری‌های جدید، ایمنی بیشتر و هزینه کمتر استفاده می‌شود. مقاومت بالاتر در برابر ضربه، حلال‌ها و سایش از ویژگی‌های نانومواد به شمار می‌روند.

این مواد همچنین می‌توانند موجب کاهش وزن و در عین حال افزایش کارایی موتور و عملکرد کلی خودرو به منظور کاهش نشر گاز دی اکسید کربن شوند. کاهش وزن خودروها اولین ابزار کاهش مصرف سوخت به شمار می‌رود. کاهش 100 کیلوگرمی وزن خودرو موجب کاهش مصرف سوخت به میزان 51/0 لیتر در هر 100 کیلومتر شده و در نتیجه تولید گازهای آلاینده کاهش می‌یابد. حوزه‌های دیگری که نانومواد می‌توانند در صنعت خودروسازی مفید باشند عبارتند از بهبود مدیریت حرارتی، کاهش نویز و ارتعاش و افزایش زیبایی.

• روکش‌ها

‌حفاظت سطحی یکی از حوزه‌های کلیدی بازار خودروهای لوکس به شمار می‌رود؛ از کاربردهای این حوزه می‌توان به حفاظت در برابر تابش پرتوی فرابنفش، ساییدگی، حرارت، بهبود چسبندگی و کاهش اصطکاک موتور اشاره کرد. نانوروکش‌ها در این حوزه کاربردی اهمیت بالایی خواهند داشت. همچنین تقاضای بالایی برای سطوح تمیز با ظاهر بی‌نقص و بهداشتی که اثر انگشت روی آن‌ها به جای نمی‌ماند، وجود دارد.

• تایرها

استفاده از نانومواد در حوزه تایر، موجب ایجاد مزایای زیر می‌شود:

• کاهش هزینه از طریق صرفه جویی در مصرف مواد؛
• کاهش وزن که منجر به افزایش کارایی و بهره‌وری مصرف سوخت می‌شود؛
• کاهش تجمع حرارتی و در نتیجه خرابی کمتر تایر؛
• حذف استفاده از بوتیل هالوژن‌دار که امکان بازیافت یا دورریز ساده‌تر تایرهای فرسوده را فراهم می‌آورد.
• خنک کننده‌ها

با وجود پیشرفت‌هایی که در زمینه کارایی سامانه‌های پیشران خودرو و قطعات الکترونیکی حاصل شده است، حذف حرارت اضافی همچنان یک چالش بزرگ در خودروها محسوب می‌شود. با کاهش اندازه و جرم قطعات مورد استفاده در خودرو، استفاده از راهکار قدیمی افزایش سطح برای افزایش تبادل حرارتی با سیال خنک کننده (هوا، آب/اتیلن گلیکول) برای مدیریت حرارت اضافی دیگر امکان‌پذیر نخواهد بود.

• باتری‌ها

امروزه در حوزه باتری‌ها از مواد نانوکامپوزیتی استفاده می‌شود که علاوه بر تاثیر مثبت بر محیط زیست و کاهش مصرف سوخت، از نظر مهندسی مواد از حوزه‌های پیشران و قابل طرح در بحث نانوکامپوزیت‌هاست. باتری‌های یون لیتیومی توانمندشده با فناوری نانو سطح بالایی از توان، انرژی، ایمنی و چرخه عمر را برای استفاده در سامانه‌های بزرگی (بزرگ‌تر از یک کیلو وات ساعت) همچون خودروهای برقی هیبریدی[12] و خودروهای برقی هیبریدی قابل شارژ[13] فراهم می‌آورند. کاهش هزینه عملکرد خودرو برای کاربران، کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای و کاهش وابستگی به نفت وارداتی از پیش‌ران‌های تولید خودروهای برقی به شمار می‌روند.

• تولید انعطاف‌پذیر

صنعت خودروسازی به دنبال کاهش زمان تولید قطعات پلاستیکی است. با افزایش 1 درصدی نانورس، جریان پذیری پلیمر مذاب تا 100 درصد افزایش یافته و در عین حال ویژگی‌های بالای آن حفظ می‌شود. با این روش میزان وجود نقص در قطعات تولیدی کاهش یافته و سرعت تولید افزایش می‌یابد.

• اقتصاد سوخت

کاهش وزن مواد منجر به افزایش کارایی موتور و در نتیجه کارایی کلی خودرو شده و میزان انتشار گاز دی اکسید کربن کاهش می‌یابد.

• قوانین و نیازمندی‌های مربوط به انرژی

افزایش نوسان قیمت نفت و روشن شدن بیش از پیش نقش انسان در گرم شدن کره زمین موجب ایجاد تمرکز روی افزایش کارایی مصرف سوخت در خودروها شده است. استفاده از نانومواد می‌تواند به تولید قطعات محکم‌تر، سخت‌تر، سبک‌تر و بادوام‌تر که با استانداردهای سختگیرانه زیست محیطی مطابقت داشته باشند، کمک کند. این مواد در طراحی‌های جدید و پیشرفته موتور به کار می‌روند تا انتشار گاز دی اکسید کربن، نشر گازهای گروه NOx ، مصرف سوخت و هزینه‌های نگهداری خودرو را کاهش دهند.

4-کاربردهای نانوکامپوزیت‌ها در صنعت خودرو

4-1-باتری‌ها

با افزودن مقادیر بالا از گرافن[14] ( 5 تا 85 درصد وزنی) به یک پلیمر یا بستر کربنی، نانوکامپوزیتی تولید می‌شود که رسانایی الکتریکی استثنایی و بسیار بالایی برای استفاده به عنوان صفحات دوقطبی پیل‌های سوختی داراست. البته در حال حاضر استفاده از نانوموادی همچون فولرین و سیلسزکیوکسان‌های الیگومری چندوجهی[15]، نانوالیاف و نانولوله‌های کربنی نیز در صنعت باتری به ویژه در اجزای مختلف باتری‌های لیتیومی متداول است. به عنوان نمونه شرکت ABAT با استفاده از الکترودهای نانوماده‌ای ساخته شده از Spinel لیتیوم تیتانات یک باتری یون لیتیومی پلیمری تولید کرده است [2]. شرکت Chengdu Organic Chemicals Co., Ltd چین نیز محصول سری Timescond کامپوزیتی را ارائه کرده است که حاوی نانولوله‌های کربنی رسانا و کربن سیاه است. ذرات کربن سیاه نه تنها از تجمع دوباره نانولوله‌ها کنار هم جلوگیری می‌کنند، بلکه در کاربردهای مربوط به باتری‌های یون لیتیومی اثر هم افزایی با نانولوله‌ها را نیز دارند [2].

4-2- چارچوب‌ها و قطعات

4-2-1- نگاهی اجمالی به کاربرد نانوکامپوزیت ها در چارچوب‌ها و قطعات خودرو

نانوکامپوزیت‌های پلیمری در حال تبدیل شدن به مواد اصلی مورد استفاده در تولید چارچوب‌ها و بدنه خودرو هستند. از کاربردهای این حوزه می‌توان به پوشش خارجی خودرو از جنس پلی پروپیلن یا  [16]TPO، نانوکامپوزیت‌های اولفینی رسی برای قطعات خارجی، مواد مقاوم در برابر آتش، و مواد رسی نانومقیاس برای استفاده در کامپوزیت‌های پلاستیکی سبک وزن اشاره کرد. به علاوه، نانوکامپوزیت‌ها در بخش‌های داخلی خودرو همچون پایه‌های در، روکش داشبورد، داشبورد، پوشش کیسه‌های هوا و فیلترهای کنترل کننده هوا به کار می‌روند.

4-2-2-مزایای استفاده از نانوکامپوزیت‌ها در چارچوب‌ها و قطعات

کامپوزیت‌های حاوی نانوصفحات با قرار گرفتن طولانی مدت در معرض آب و هوا دچار فرسودگی نمی‌شوند و به همین دلیل برای استفاده در قطعات خارجی خودرو مناسب هستند. استفاده از نانومواد، هزینه رنگ آمیزی گلگیرهای پلاستیکی را کاهش می‌دهد. زیرا افزودن مقادیر کمی از نانولوله‌های کربنی باعث ایجاد رسانایی در قطعات نیمه تمام شده و این قابلیت، امکان استفاده از فرایندهای روکش دهی کاراتر و سازگارتر با محیط زیست را فراهم می‌آورد. در این فرایندها که مبنای آن‌ها، وجود بارهای الکترواستاتیکی  مخالف است، از ذرات پودری بدون حلال استفاده می‌شود.

اولين استفاده صنعتي از نانوكامپوزيت‌هاي تقويت شده با خاك رس در زمينه ساخت پوشش تسمه تايم در خودرو است كه به وسيله قالب‌گيري تزريقي صورت گرفته است. وزن حفاظتي دست يافته شده براي پوشش تسمه تايم 25% است كه علت اين امر به خاطر كمتر بودن محتوي فيبرهاي آلي در مقايسه با نايلون يا پروپلين تكميل شده با الياف شيشه‌اي مي‌باشد [9].

اين مواد صلبيت  خوب و پايداري حرارتي بالايي از خود نشان مي دهند. در اوايل سال 1990 شركت تويوتا از نانوكامپوزيت‌ها در پوشش كمربند ايمني خودرو استفاده كرد. در كنار فعاليت‌هاي تويوتا، شركت ميتسوبيشي نيز از نانوكامپوزيت‌ها در روكش موتور استفاده نمود. ويژگي‌هاي نانوكامپوزيت‌ها شامل استحكام و سختي زياد با وزن كمتر، قابليت جلوگيري از نشت گازها و مايعات، درجه اعوجاج گرمايي بالا، رسانايي الكتريكي، خاصيت ضد احتراقي و مقاومت بالا در برابر مواد شيميايي و حرارت مي‌باشد [10]. اين نوع كامپوزيت‌ها در تركيبات پوشش زيرين كاپوت خودرو به كار برده مي‌شوند.

4-2-3-ساختار پلیمرها و نانومواد مورد استفاده در صنعت چارچوب‌ها و قطعات

در حال حاضر، اكثر نانوكامپوزيت‌هاي مورد مصرف در قطعات خودرويي در حقيقت از نوع نانوكامپوزيت پليمر- فيلر مي‌باشند و ماده پليمري مي‌تواند بر پايه پلی پروپیلن[17]،  پلی آمید[18]،  استایرن بوتادین رابر[19]و … انتخاب گردد. افزودني نانويي به كار رفته در اين كامپوزيت هم مي‌تواند نانورس، نانولوله كربني يا ساير افزودني‌هاي نانويي معمول باشد. در حال حاضر، با افزودن مقادير كمي از افزودني‌هاي نانورس به پايه‌هاي پليمري  پلی‌پروپیلن و تری‌پلیمر بلوکی (آکریلونیتریل-بوتادین-استایرن)[20] مي‌توان خواص پليمر پايه را به ميزان قابل قبولي بهبود بخشيد.

در ساخت قطعات نانوکامپوزیتی نمی‌توان نقش کلیدی نانومواد و افزودنی‌های نانو را به هیچ وجه انکار نمود. نانورس‌ها، نانولوله‌های کربنی، نانوذرات اکسیدفلزی، گرافن‌ها، نانوالیاف از جنس‌های گوناگون و … هر یک سهمی ویژه در پیشبرد صنعت نانوکامپوزیت‌ها ایفا می‌کنند. ویژگی‌های منحصر به فرد این مواد کمک می‌کند تا بتوان خواص و کاربردهای متنوعی را از محصول انتظار داشت. در جدول 3 به برخی از این نانومواد و سامانه‌های نانو و کاربردهای تجاری  آن‌ها به ویژه در قالب نانوکامپوزیت‌ها اشاره شده است.

 

جدول3- کاربردهای نانومواد و سامانه‌های نانو در بخش‌های مختلف خودرو [2]

 

4-2-4-نانوکامپوزیت‌های ضد حریق

در سیستم خودرو، قطعات پلاستیکی زیادی مانند داشبورد و روکش‌های صندلی موجود است. زیر در و داخل موتور خودرو نیز قطعاتی وجود دارند که از الیاف پلاستیکی تشکیل شده‌اند. مـواد پلاستیکی اشتعال‌زا هستند و خیـلی زود آلودگی را به خود جذب می‌کنند. در زمان سوخت‌گیری یا در هنگام تصادف دو خودرو با یکدیگر یا بروز مشکل ممکن است خودرو آتش بگیرد و در حوادث و تصادفات می‌تواند خطرات جانی و مالی را به همراه داشته باشد. بنابراین استفاده از مواد پلاستیکی ضد حریق در خودرو از اهمیت به سزایی برخوردار است.

تولید پلاستیک‌های ضد حریق با استفاده از نانوذرات رس بر اساس استانداردهای ضد آتش کردن الیاف به معنای شعله‌ور نشدن در هنگام آتش سوزی است. نانورس‌ها پرکننده‌ای هستند که با اضافه کردن آن‌ها به دیگر مواد مانند پلاستیک‌ها می‌توان خاصیت ضد حریق ایجاد نمود. در پلیمرهایی چون نایلون افزودن مقدار کمی نانورس علاوه بر ایجاد خاصیت ضد حریق، افزایش 103 درصدی در ضریب یانگ، 49 درصدی در قدرت کشسانی و 146 درصدی در مقاومت در برابر تغییر شکل بر اثر گرما، به دست می‌آید.
پلیمرهایی که با نانورس ترکیب شده‌اند در مقایسه با مواد پلیمری رایج نسبت به مواد شیمیایی و حرارت مقاوم‌تر هستند و در هنگام آتش‌سوزی با تاخیر بیشتری شعله‌ور می‌شوند. همچنین این نانوکامپوزیت‌ها از هدایت الکتریکی و وضوح نوری بهتری نیز برخوردار هستند. در حال حاضر استفاده از این ویژگی در دیگر پلیمرهای مهندسی مانند پلی‌پروپیلن، پلی‌اتیلن و لاستیک نیز مورد توجه قرار گرفته است [2].

4-2-5- جایگاه نانوکامپوزیت‌ها در حوزه چارچوب‌ها و قطعات خودرویی در ایران

از جمله قطعات خودرويي كه در ايران با نانوكامپوزيت‌هاي پليمري نمونه‌سازي شده‌اند، می‌توان از نانوكامپوزيت‌هاي پايه ABS (قاب چراغ خطر خودروي پژو 405، قاب چراغ خطر خودروي روآ، قاب محافظ هواكش بخاري و …) و نانوكامپوزيت‌هاي پايه پلی‌پروپیلن (قاب چراغ جلو، قاب ستون هاي خانواده خودروي پژو 405، قطعات مجموعه داشبورد خودروها، پروانه فن رادياتور، و قالپاق چرخ) مي باشد. همچنين براي جلوگيري از باقي ماندن لك و كثيفي از پوشش‌هاي نانوكامپوزيتي بر روي غربيلك فرمان و رينگ چرخ نيز استفاده شده است. حتي اين پوشش‌ها روي سطح داخلي باك‌هاي بنزين براي جلوگيري از نشت بخار بنزين مورد استفاده قرار گرفته است [12].

4-2-6-نمونه‌هایی از کاربردهای تجاری نانوکامپوزیت پلی‌الفین‌ها و پلیمرهای مهندسی در صنعت خودرو

• شرکت پارسا پلیمر شریف محصولی با نام تجاری ParsaNano ارائه کرده است که نانوکامپوزیتی با استحکام و چسبندگی رنگ عالی است. این محصول نانوکامپوزیتی بر پایه پلی‌پروپیلن می‌باشد که با اضافه نمودن مواد نانو، برای کاربردهایی که نیاز به مدول الاستیک، استحکام کششی، مقاومت به ضربه و چسبندگی رنگ عالی دارند، طراحی شده است. از این محصول برای قالب‌گیری تزریقی قطعات خارجی خودرو به خصوص قطعاتی که به رنگ شدن نیاز دارند (نظیر قالپاق) استفاده می‌شود [13].
• نانوکامپوزیت‌های TPO/مونت موریلونیت برای ساخت پلکان در مینی ون‌های شرکت جنرال موتورز (GMC Safari/Chevrolet Astro) به کار گرفته شده‌اند. البته حجم این کاربرد زیاد نیست (سالانه حدود ۱۰۰۰۰ پلکان تولید می‌شود). این شرکت در اوایل سال ۲۰۰۴ نیز از این نانوکامپوزیت‌ها در قطعات تزیینی داخلی اتومبیل شورلت ایمپالا استفاده کرد [14]. در سال ۲۰۰۵ در خودرو‌های هامر H2 از نانوکامپوزیت خاک رس استفاده شد. تعداد زیادی از این خودرو‌ها (تقریباً ۲۰۰۰۰۰ خودرو در سال) تولید شده‌اند و برای تولید آن‌ها تقریباً به ۵۰۰۰۰۰ پوند تقریبا 250 تن نانوکامپوزیت نیاز است [14].
• از نانوکامپوزیت‌های پلی‌پروپیلن/مونت موریلونیت برای اولین بار در پشتی صندلی خودروی 2004 Acura TL استفاده شد. همچنین میز فرمان مرکزی یک کامیون مدل ۲۰۰۶ از نانوکامپوزیت PP/مونتموریلونیت ساخته شده است [14].
• شرکت Unitika Co در ژاپن، نانوکامپوزیت‌های نایلون۶/میکا را برای قالب‌گیری تزریقی ساخته است. شرکت میتسوبیشی موتورز نانوکامپوزیت‌های این شرکت را برای ساخت پوشش مدل‌های GDI موتور‌های خود به کار گرفته است. استفاده از این نانوکامپوزیت‌ها، به کاهش ۲۰ درصدی در وزن و پرداخت سطح عالی منجر می‌گردد [14].

4-2-7- حجم بازار چارچوب‌ها و قطعات از 2010 تا 2015

بر اساس گزارش‌های منتشر شده، با توجه به حجم بازار جهانی در سال 2010 (در حدود 5/6 میلیارد دلار) و نرخ رشد سالیانه 4 درصدی تا سال 2016، حجم این بازار در سال 2016 در حدود 2/8 میلیارد دلار خواهد بود. این بازار حول ترموپلاستیک‌ها، ترموست‌ها و الاستومرهای ترموپلاستیکی تمرکز دارد [2].

 

4-3- پیل‌های سوختی

فناوری نانو در سامانه‌های پیل سوختی خودرو به عنوان الکترود، غشا، الکترولیت و کاتالیزور الکترود مورد استفاده قرار می‌گیرند. در پیل‌های سوختی غشای پلیمری، پایداری حرارتی با استفاده از نانوکامپوزیت‌های معدنی-آلی افزایش می‌یابد. پلیمرهای عامل‌دار با استفاده از فرایند سل ژل با نانوذرات معدنی اصلاح می‌شوند.

فیلترهای نانوالیافی در کاربردهای مربوط به حمل و نقل همچون موتورهای احتراق داخلی و پیل‌های سوختی به کار می‌روند. نانوالیاف به عنوان غشاهای مبادله پروتون مواد نویدبخشی به شمار می‌روند و غشاهای کامپوزیتی حاوی نانوالیاف می‌توانند در پیل‌های سوختی مورد استفاده قرار بگیرند. شرکت‌هایی چون Donaldson Company, Inc،. Dupont ،  Elmarco Pyrograf Products, Inc،   Toray Industries, Inc از نانوالیاف بهره می‌گیرند.

4-4-رنگ‌ها و پوشش‌های نانوکامپوزیتی و کاربرد آن‌ها در صنعت خودرو

4-4-1-مزایای استفاده از روکش‌ها و پوشش‌های نانوکامپوزیتی

برخی روکش‌های محافظ حرارتی حاوی نانولوله‌های کربنی چنددیواره تولید شده‌اند که می‌توانند وزن عایق‌کاری در خودرو و کاربردهای هوافضا را کاهش دهند. رسانایی حرارتی بالا، مقاومت در برابر آسیب دیدگی و کارایی جذب نوری که برای این روکش‌ها گزارش شده است، آن‌ها را به گزینه‌های مناسبی برای روکش‌دهی شناساگرهای حرارتی تبدیل می‌سازد.

روکش‌های مواد مختلف که حاوی کربیدها، نیتریدها، فلزات یا سرامیک‌های نانومقیاس هستند، نقشی کلیدی در عملکرد قطعات مکانیکی داخلی خودرو همچون موتور ایفا می‌کنند. روکش‌های نانوساختار با کاهش ساییدگی و اصطکاک، طول عمر مواد را افزایش داده و در عین حال انتشار انرژی به صورت گرما را کاهش داده و در نتیجه کارایی خودرو را افزایش می‌دهند.

روکش‌ها می‌توانند بهره‌وری ابزارها را افزایش داده (عمر طولانی‌تر، فرکانس چرخه بالاتر، نیاز کمتر به پرداخت ابزارها)، هزینه تولید را کم کرده، کیفیت تولید را بالا برده (به دلیل سطوح صاف‌تر، پایداری ابعادی بهتر، درجه بالاتر تغییر شکل فلزات و مراحل تولید کمتر) و مصرف روان کننده‌ها را کاهش دهند.

4-4-2- نگاهی به کاربردهای روکش‌های نانوکامپوزیتی در صنعت خودرو

روکش‌های نانوکامپوزیتی اکسید آلومینیوم که در برابر خراش مقاوم هستند، در پرداخت قطعات خودرو مورد استفاده قرار گرفته‌اند. زمانی که این افزودنی‌ها با غلظت‌های پایین 5/1 تا  6 درصد به رزین‌ها و روکش‌ها افزوده می‌شوند، مقاومت آن‌ها در برابر خراش تا حد بسیار زیادی افزایش می‌یابد.

شرکت‌هایی همچون مرسدس بنز از نانو روکش‌های سرامیکی مقاوم در برابر خراش، در خودروهای خود استفاده کرده‌اند. این نانوذرات شفاف، مقاومت رنگ خودرو در برابر خراشیدگی را تا حد بسیار زیادی افزایش داده و جلای رنگ را نسبت به رنگ‌های معمولی افزایش می‌دهند.

در حال حاضر کاربرد اصلی نانوروکش‌ها در صنعت خودروسازی، ایجاد مقاومت در برابر تشکیل رسوبات اکسیدی و راحتی تمیز شدن شیشه‌های خودرو است. فولکس واگن، بی ام و، تویوتا و سوبارو در این کاربردها از نانوروکش‌ها استفاده می‌کنند. بسیاری از شرکت‌های خودروسازی بزرگ امتیاز این فناوری‌ها را از شرکت‌های کوچک و متوسط که در حوزه نانوروکش‌ها به نوآوری می‌پردازند، دریافت می‌کنند.

کاربردهای دیگر نانو روکش‌ها عبارتند از:

• روکش‌های رنگین کمانی؛
• رنگ‌های مبتنی بر نانولوله‌های کربنی؛
• روکش‌های مقاوم در برابر خوردگی؛
• صیقل دادن بسیار دقیق سطوح؛
• ایجاد ویژگی دفع آب و آلودگی با استفاده از کامپوزیت‌های فلوئوروپلیمری؛
• روکش‌های فتوکرومیک و الکتروکرومیک برای پنجره‌ها (تغییر رنگ شیشه به هنگام نیاز).

شرکت‌هایی چون Nanocyl، Plexon ، SouthWest ،NanoTechnologies و Umicore از این تکنولوژی بهره می‌برند.

 

4-4-3- انواع پوشش‌هاي نانويي بر روي شيشه خودرو

بروز تصادفات به علت عدم ديد مناسب و كافي، به خصوص در شرايط جوي نامساعد مانند باران و گرد و غبار، نيازمندي صنعت خودرو را به ايجاد شيشه‌ها و آينه‌هاي ضدلك در خودرو ايجاد كرده است. با ظهور فناوري نانو، نه تنها در مورد خودروهاي در حال ساخت اين امكان فراهم شده است، بلكه روكش‌هاي مخصوص اين امر نيز براي به كارگيري در مورد خودروهاي موجود، ساخته شده است. اين نوع روكش روي شيشه خودروها موجب دفع آب و ذرات گرد و غبار شده به طوری‌که به راحتي بتوان سطح آن را تميز كرد.

اين روكش همچنين ضدسايش بوده و علاوه بر مقاوم بودن در برابر پرتوهاي فرابنفش، از دوامي طولاني برخوردار است. عمر اين محصول، روي شيشه جلوي خودرو تا پنجاه هزار كيلومتر و روي شيشه پنجره‌هايي كه در جهت حركت ماشين قرار ندارند تا پنج سال مي رسد. اين شيشه مي‌تواند پرتوی فروسرخ كه طول موج آن كمتر از 400 نانومتر و همچنين پرتوفرابنفش كه طول موج آن بيشتر از 800 نانومتر باشد را به طور كامل يا جزئی جذب نمايد و محدوده روشنايي كه مورد نياز براي بينايي انسان مي باشد و طول موج آن مابين 400 تا 800 نانومتر است را كاملاً عبور دهد. همچنين از ورود گرما و سرما جلوگيري نمايند. معمولا اين شيشه‌ها نرخ تابش كمي دارند [12].

از مواد نانوكريستال توليد شده به روش سل- ژل (آئروژل‌ها) نيز مي‌توان به عنوان موادي براي شيشه‌هاي هوشمند استفاده كرد كه به هنگام تابش و درخشش شديد نور آفتاب تيره و مات مي‌شوند. وقتي كه نور خورشيد كمتر مي‌تابد اين شيشه‌ها روشن‌تر مي‌شوند. همچنين اين شيشه‌ها خاصيت خود تميزشوندگي دارند كه ويژگي مفيدي براي حركت خودرو در محيط‌هاي پرگرد و غبار مي‌باشد.

روش‌هاي پوشش‌دهي براي شيشه‌ها در خودرو شامل موارد زیر می‌باشند:

• پوشش-دهي سل-ژل
• پوشش‌دهي با بخار شيميايي [15]

4-4-4- پوشش‌هاي نانويي بر روي منسوجات

به طور متوسط ميزان منسوجات مورد استفاده و در معرض ديد در يك خودرو، حدود 15 مترمربع است كه عمدتاً پوشش سقف، صندلي‌ها، رودري‌ها، روكش طاقچه عقب و موكت كف را شامل مي‌شود. از جمله عوامل مؤثر در ايجاد كهنگي و كثيفي در اين قطعات تزئيني مي‌توان به گرد و غبار، آلاينده‌هاي هوا، چربي‌ها، عرق دست، مايعات و … اشاره كرد. از طرفي رشد و نمو باكتري‌ها در اثر استفاده روزمره باعث بروز و شيوع بعضي از بيماري‌ها مي‌شود كه از ميان آن‌ها مي‌توان باكتري‌هاي مولد اسهال، التهاب روده، بيماري‌هاي گوارشي، عفونت سيستم ادراري و عفونت‌هاي ريوي را نام برد.

لذا، با توجه به پيشرفت نانوفناوري و استفاده از آن در توليد پارچه‌هاي ضدلك، ضدباكتري، ضد گرد و غبار و ضدبو مي‌توان با استفاده از آن به رضايت‌مندي بالاتر مشتري در صنعت خودرو دست يافت. اعمال پوشش‌هاي نانويي بر روي پارچه‌ها و قطعات منسوج، باعث كاهش سطح تماس مايعات با قطعه شده و از نفوذ آن‌ها به داخل پارچه خودداري مي‌كند. لذا، نفوذ مايعات به داخل پارچه‌ها و ايجاد لك و تغيير رنگ صورت نمي‌گيرد و فضاي داخلي اتاق همواره تميز و مطلوب خواهد بود. در شکل 4 سیر ورود منسوجات نانویی به بازار مصرف به طور شماتیک نشان داده شده است.

شکل 3- روند ورود منسوجات نانویی به بازار [12]

شکل4 – شماي کلي فعاليت‌هاي در حال انجام در گروه صنعتي ايران خودرو در حوزه پوشش‌ها [12]

شکل5- شماي کلي فعاليت‌هاي در حال انجام در گروه صنعتي ايران خودرو در حوزه منسوجات [12]

 

شکل6- نمونه‌اي از قطعات داراي پوشش ضدلک در خودروي سورن [12]

در حال حاضر، در ايران پوشش‌هاي نانويي به طور تحقيقاتي بر روي روكش‌هاي صندلي، طاقچه عقب، پارچه رودري، موكت كف و عايق سقف خودروها در شرکت ساپکو در دست بررسي مي‌باشند. نمونه‌هایی از محصولات عرضه شده در این حوزه را می‌توان در شکل‌های 5 تا 8 مشاهده نمود. از نانوپوشش ضد انعكاس نور نيز در نمايشگرهاي داخل خودرو براي استفاده در تمامي شرايط نوري استفاده شده است [12].

شکل7- شماي کلي فعاليت‌هاي در حال انجام در گروه صنعتي ايران خودرو [12]

4-4-5- پوشش‌هاي نانويي در رنگ خودرو

نانوذرات با اندازه‌هاي مختلف، نورهايي با فركانس‌هاي متفاوت ساطع مي‌كنند. لذا، مي‌توان از آن‌ها براي توليد رنگ‌هاي گوناگون استفاده كرد. كاربرد جالب توجه در اين بخش، استفاده از نانولوله‌هاي كربني در رنگ است. فيبريل‌ها، ساختارهاي ويژه‌اي هستند كه از نانولوله‌هاي كربني ساخته مي‌شوند و رسانايي بالايي دارند. كاربرد فيبريل‌ها در رنگ، باعث رسانايي آن مي‌شود و مي‌توان از آن براي رنگ كردن خودرو به روش قطره‌هاي باردار شده استفاده كرد (روش رنگ‌آمیزی الكترواستاتيكي). در اين روش، رنگ و قسمت‌هايي را كه قرار است رنگ شوند، باردار مي‌كنند تا جاذبه الكتريكي بين آن‌ها باعث جذب رنگ شود. به اين ترتيب، كارآيي رنگ، چه از لحاظ كيفيت و چه از لحاظ كميت (ميزان رنگ مصرفي) ارتقا مي‌يابد. فناوري نانو در رنگ‌كاري جديد، مرزها را شكسته و نويد ويژگي‌هاي منحصر به فردي را مي‌دهد [16].

لاك تميزكننده جديد كه با دستگاه از فناوري نانو توليد شده، باعث مي‌شود تا رنگ خودرو بسيار ضدخراش‌تر از رنگ‌هاي قديمي شود. با توسعه و توليد رنگ‌هاي خودمحافظ و فناوري پلي پلكسين تي 11[21]، صاحبان خودرو ديگر به شستشو و رنگ كردن مجدد خودروی خود نيازي ندارند. اين رنگ‌ها، در برابر آثار مخرب پرتو فرابنفش و نمك‌ها، مقاوم هستند، به طوري كه با به كارگيري آن‌ها ديگر نيازي به شستشوي خودرو يا رنگ مجدد نيست [16].

4-4-6- رنگ محافظ خودرو

شرکت Eurochem Auto Chemicals آخرین دست‌آورد خود در زمینه محافظ رنگ خودرو را اعلام نموده است. سیستم بسیار پیشرفته فناوری نانوی P.T.F.E Polyglasplexin یک راه حل منحصر به فرد برای دفع دوده جاده، آلودگی، اسید حشرات، فضله پرندگان، مواد رادیواکتیو جوی، و بدتر از همه، تمام پرتوی فرابنفشی است که باعث می‌شوند رنگ خودرو به تدریج از بین برود. چنین سیستمی قبلا هرگز در صنعت اتومبیل وجود نداشته است و این شرکت مطمئن است که یک محصول بسیار ضروری برای شبکه بازار و فروشندگان خودرو را تهیه کرده است. این محصول که نام آن NanoSeal 66 است، با دارا بودن یک لایه مولکولی ثابت، علاوه بر بهبود کیفیت ظاهری رنگ، از آن محافظت می‌نماید. این سیستم پیشرفته محافظتی، از یک پلیمر پیشرفته و نانوذرات پوشاننده آب تشکیل شده است که در ترکیب با هم یک سری ویژگی‌هایی ایجاد می‌نمایند که قبلاً در صنعت محافظت از رنگ خودرو دیده نشده است. این روکش، رنگ خودرو را شفاف نگه می‌دارد، از آسیب‌های ایجاد شده پرتوی فرابنفش و نمک محافظت می‌نماید و باعث می‌شود شما یک ماشین زیبا داشته باشید و هرگز نیاز به براق کردن آن نداشته باشید. کمپانی Eurochem چنان از کیفیت محصول خود اطمینان دارد که یک گارانتی مادام‌العمر برای این محصول ارائه می‌کند. در حال حاضر، نگهداری اتومبیل بسیار آسان‌تر از قبل است. آب و صابون به سرعت آلودگی را از روی سطح رنگ شده جذب کرده و به راحتی می‌توان با استفاده از جریانی از آب، آن‌ها را از سطح شست. این شرکت همچنین یک تمیز‌کننده بدون آب PTFE برای دفع آلودگی و دوده تولید کرده است که استفاده از آن راحت بوده وسازگار با محیط زیست می‌باشد [17].

4-4-7- روکش‌های ضد خراش و ضد خوردگی برای خودروها

ساخت روکش‌های ضدخراش یا بادوام زیاد در مقابل تابش فرابنفش برای خودروها از جمله زمینه‌هایی است که کاربرد فناوری نانو در آن افزایش قابل توجه عملکرد محصول را به دنبال خواهد داشت و در همین زمینه تلاش‌های مستمری به منظور شناخت راه‌های جلوگیری از صدمات ناشی از عوامل طبیعی نظیر برف و باران، رسوبات اسیدی و نمکی، تابش فرا بنفش خورشید، رطوبت و همچنین لب پریدگی، رنگ رفتگی و خراش در صنعت خودرو صورت می‌گیرد.

پوشش‌های نانوکامپوزیت اکسید آلومینیوم، که مقاوم در برابر خراشیدگی می‌باشد، در عملیات پرداخت کاری اتومبیل مورد استفاده قرار می‌گیرد. با اضافه کردن مقادیر کمی از افزودنی‌ها به رزین، مقاومت در برابر خراشیدگی به میزان قابل توجهی افزایش خواهد یافت [18].

شناخت عملکردهای جدید روکش‌ها که به واسطه استفاده از نانومواد به دست آمده، امکان توسعه کاربردهای جدید را فراهم کرده است. مزیت ویژه نانوروکش‌ها این است که امکان تنظیم مستقل سختی و ویژگی‌های سایشی روکش را با ترکیب کردن عناصر و ساخت لایه‌های نانومتری فراهم می‌آورد. اصلاح رنگ‌ها به وسیله نانومتری کردن ساختار آن‌ها منجر به بهبود خواص فیزیکی و شیمیایی آن‌ها شده، مقاومت شیمیایی و مقاومت در برابر ضربه و خراش را در آن‌ها بالا می‌برد.

شکل 8- نانوروکش‌های خود تمیزکن و مقاوم در برابر خراش که به وسیله شرکت Nissan توسعه یافته‌اند [17].

 

شرکت نیسان اولین شرکتی است که مدل‌های مختلف خودروهای خود را با رنگ‌های ساخته شده از مواد خودتعمیرکننده پوشش داده است که نمونه‌ای از آن را می‌توان در شکل 9 مشاهده نمود. شرکت تولیدی Daimler Chrysler رنگ جدیدی موسوم به “نانورنگ” را به بازار ارائه نموده است که مقاومت به خراش آن، حداقل سه برابر رنگ‌های معمولی است. شرکت فوق، چهارسال برای دسترسی به رنگ جدید تحقیق نموده و شرکت مرسدس بنز، اولین سازنده اتومبیل است که از آن استفاده خواهد نمود. قیمت این رنگ‌ نسبت به انواع قبلی تفاوتی نخواهد داشت. رنگ‌های اتومبیل معمولی، پوشش براقی دارند که از زنجیره‌های کربنی طولانی ساخته شده است. اما “نانورنگ” از ذرات سرامیکی، معدنی ساخته شده است که می‌توانند به شدت متراکم شده و مقاومت رنگ در مقابل خراش را بسیار بالا ببرند [17]. در شکل 10 خودرویی نشان داده شده است که بخش‌هایی از آن توسط نانورنگ و بخش‌هایی با رنگ معمولی، رنگ شده است. تفاوت آن‌ها به وضوح مشخص است.

 

شکل 9- یک در خودرو که سمت چپ آن با نانو رنگ و سمت راست آن با رنگ معمولی رنگ شده است. تفاوت رنگ‌ها پس از 60 بار شست و شو به وضوح قابل مشاهده است [17].

 

4-5- تایرها

مواد نانوساختار استانداردی همچون کربن سیاه و سیلیکای بی شکل که به عنوان پرکننده لاستیک در تایرها استفاده  می‌شوند، هم اکنون یک صنعت چند میلیارد دلاری محسوب می‌شود. نانوپرکننده‌های دیگری همچون مونت موریلونیت نیز به صورت معمول برای تقویت ویژگی‌های مکانیکی، ایجاد مقاومت در برابر تابش فرابنفش و بهبود ویژگی‌های سایشی به لاستیک‌های طبیعی و سنتزی افزوده می‌شوند. نمونه‌هایی از نانومواد مورد استفاده در تایر خودرو در جدول 4 مطرح شده‌اند.

بر خلاف مواد دیگر که می‌توانند شکل‌های نانویی و توده‌ای متفاوتی داشته باشند، تمام انواع کربن سیاه و سیلیکای بی شکل به صورت متراکم و توده‌ای در بازار ارائه شده و بنابراین مواد نانوساختار به شمار می‌روند؛ به دلیل شرایط خاص تولید این مواد، شکل‌های مجزای توده‌ای و یا غیر معمول از آن‌ها وجود ندارد.

این مواد مدت‌هاست که در صنعت تایرسازی به کار می‌روند و بنابراین نمی‌توانند به عنوان نانومواد «جدید» به شمار روند؛ به همین دلیل در این گزارش به این مواد پرداخته نشده است. سیلسزکیوکسان‌های چندوجهی الیگومری (POSS)، نانواکسیدها (سیلیکا، آلومینا)، نانوالیاف کربنی، نانولوله‌های کربنی تک دیواره و چنددیواره، نانومواد لایه‌ای مانند رس، مونت موریلونیت و گرافن جزء نانومواد جدیدی هستند که برای ایجاد ویژگی‌های جدید و بهبود عملکرد تایرها تحت بررسی قرار دارند. دوام بالا، وزن پایین و مقاومت چرخشی پایین ویژگی‌های مطلوبی هستند که این مواد می‌توانند در تایرها ایجاد کنند.

 

4-5-1- نانوکامپوزیت‌های سیلیکاتی

به کار بردن نانوکامپوزیت‌های سیلیکاتی در آمیزه لاستیک‌ها، موجب افزایش طول عمر و کاهش وزن لاستیک می‌شود. افزایش استحکام لاستیک از اهمیت ویژه‌ای در صنایع خودروسازی برخوردار است و از دیرباز دوده به عنوان کاربردی‌ترین تقویت کننده در آمیزه‌های لاستیکی مطرح بوده است. ولی معایبی مانند رنگ همواره مشکی، وابستگی به منابع نفتی و کاهش فرآیندپذیری آمیزه با افزایش مقدار آن و افزایش چگالی ماده را به همراه دارد. استفاده از نانوسیلیکات‌های لایه‌ای به عنوان تقویت کننده‌های قدرتمند و چند منظوره برای تهیه نانوکامپوزیت‌های پلیمری، در سال‌های اخیر مورد بسیار مورد توجه قرار گرفته است.

استفاده از نانوسیلیکات لایه‌ای منجر به کاهش مقدار دوده مصرفی در آمیزه لاستیک می‌شود و چگالی آمیزه را کاهش می‌دهد، به این طریق می‌توان فراورده‌هایی با وزن کمتر تولید نمود. با کاهش وزن تایرها، مصرف سوخت در وسیله نقلیه کاهش می‌یابد و موجب کاهش آلودگی محیط و صرفه جویی در مصرف انرژی می‌گردد. استفاده از این مواد در تایر خودرو سبب بهبود سایر ویژگی‌ها و خواص نهایی آمیزه و نیز افزایش طول عمر تایر می شود .[19].

در روسيه، پوشش‌هاي الماس نانومتري با درصدهاي مختلف به لاستيك طبيعي[22]، براي ساخت لاستيك‌هايي كه در صنعت كاربرد دارند از قبيل كاربرد در تاير اتومبيل، لوله‌هاي انتقال آب و … مورد استفاده قرار گرفته است. با اضافه كردن پوشش‌هاي نانومتري الماس به لاستيك‌ها خواص آن‌ها به شكل قابل توجهي بهبود مي‌يابد [20]. اين لاستيك‌ها داراي 4 الي 5 برابر خاصيت انعطاف‌پذيري بالاتر، افزايش 2 تا 5/2 برابري درجه استحكام، افزايش حد شكستگي، 3 برابر شدن مقاومت در برابر بريده شدن، افزايش مقاومت لاستيك در برابر سايش، افزايش استحكام مكانيكي و كاهش قابليت اشتعال مي‌باشند [21].

جدول 4- کاربرد فناوری نانو در تایرهای خودرو [2]

4-5-2- لاستیک سبز

محصول لاستیک سبز خودرو با به کارگیری کربن سیاه و سیلیکون-سیلان سال‌هاست که وارد بازار شده و این محصول با ایجاد مقاومت غلتشی کمتر امکان افزایش بازده سوخت را فراهم می‌آورد. فناوری نانو قابلیت ارتقاء عملکرد لاستیک‌های خودرو را افزایش داده و امکان رسیدن به مثلث جادویی کیفیت در سه شاخص مقاومت غلتش، طول عمر و مقاومت لغزش در رطوبت را فراهم می‌کند. برچسب استاندارد جدید اروپا، محرک اصلی نوآوری بوده و به مشتریان این اجازه را خواهد داد تا از منظر بهره‌مندی از ایمنی و کاهش آلودگی صوتی، محصولاتی با کارایی بالاتر را خریداری کنند و در عین حال، تحقیقات را در تولید محصولات بهتر شدت می‌بخشد. بسیاری از تولیدکنندگان محصولات اولیه خودرو نظیر Bridgestone، Pirelli، Continental و Toyo هم اکنون از محصولات مختلف مبتنی بر فناوری نانو برای بهبود عملکرد لاستیک‌ها استفاده می‌کنند. آنچه فناوری نانو را قادر می‌سازد تا سبب بهبود کیفیت عملکرد لاستیک وسایل نقلیه شود در موارد زیرخلاصه می‌شود:

بهبود پخش شدگی پرکننده‌ها در بستر پلیمری در مقاومت غلتشی تأثیر دارد؛ اصطکاک را کاهش داده و نیز از گرم شدن لاستیک که خود عامل اتلاف انرژی است جلوگیری می‌کند؛ پوشش‌های مبتنی بر فناوری نانو قادر خواهند بود که هوا را بهتر محبوس کنند در نتیجه از کم باد شدن لاستیک‌ها ممانعت می‌کنند؛ با بهره گرفتن از نانومواد سبک‌تر امکان تولید لاستیک‌هایی با وزن کمتر وجود دارد؛ فناوری نانو امکان آب‌گریزکردن سطح لاستیک و در نتیجه عملکرد بهتر در سطوح مرطوب را فراهم می‌کند؛ و امکان دستیابی به لاستیک‌هایی با طول عمر موثر بیشتر وجود دارد [19].

4-5-3- حجم بازار از 2010 تا 2015

حجم بازار سال 2015 بر اساس حجم بازار جهانی در سال 2010 و نرخ رشد سالیانه 5/ 8 درصدی تا سال 2015 محاسبه شده است. حجم کلی بازار تایرهای خودرو در سال 2010 حدود 120 میلیارد دلار تخمین زده شده است.

5- بررسی  بازار

در سال 2009، میزان درآمد جهانی مربوط به نانوکامپوزیت‌های پلیمری به 05/390 میلیون دلار آمریکا رسید. حوزه‌هایی که در ارتباط با نانوکامپوزیت‌های پلیمری می‌باشند عبارتند از: هوافضا و نیروی هوایی، اتومبیل، صنایع مواد غذایی، دارو سازی، صنایع بسته بندی تجهیزات الکترونیکی، وسایل ورزشی و تجهیزات پزشکی.

پررونق‌ترین بازارهای نانوکامپوزیت در سال 2009 به حوزه‌هایی مربوط شده است که عبارت است از: صنایع بسته بندی (9/90 میلیون دلار)، صنایع هوا فضا و صنایع هوایی (5/36 میلیون دلار، شامل کاربردهای نظامی)، صنایع فیلتراسیون (36 میلیون دلار)، بازدارنده‌های شعله (05/72 میلیون دلار) و صنایع خودروسازی (55/32 میلیون دلار) …

براساس این آمار، حدود 8.3% از سهم بازار نانوکامپوزیت‌های پلیمری در سال 2009 در آمریکا، به صنعت خودرو‌سازی اختصاص داشته است.

تخمین محافظه کارانه بازار فناوری نانو و محصولات توانمندشده با نانومواد در سال 2010 برای صنعت خودروسازی 246 میلیون دلار بود. برای سال 2015 تخمین محافظه کارانه 888 میلیون دلار و تخمین خوشبینانه 852/1 میلیارد دلار است [2] و  در صورت غلبه بر موضوعات هزینه و در دسترس بودن، در دهه آینده شاهد پیشرفت‌های قابل توجهی در استفاده از فناوری نانو در این حوزه خواهیم بود.

مطالعات گروه شرکت Freedonia نشان می‌دهد که با رسیدن سال ۲۰۲۰، تقاضا برای نانوکامپوزیت‌ها در آمریکا تا ۳ میلیون تن با ارزش تقریبی ۱۵ میلیون دلار افزایش خواهد یافت. با همین تقریب در سال ۲۰۲۵ نیز، تولید نانوکامپوزیت‌ها به ۵ میلیون تن خواهد رسید [22]. در جدول‌هایی که در ادامه خواهد آمد، بازار کلی نانوکامپوزیت‌ها و نیز سهم بازار نانوکامپوزیت‌های پلیمری در صنعت خودرو به تفکیک گروه محصول، ارائه شده است (جداول 7-5).

جدول 5- بازار مصرف نانوکامپوزیت‌ها [22]

گروه	2005	2006	2011	AAGR% 2011 – 2006
مصرف نانوکامپوزیت
تن	23266	27841	95056	8/27
میلیون دلار	08/252	94/287	15/857	4/24

 

جدول6- بازار محصولات توانمند شده با فناوری نانو در سال 2010 [2]

 

جدول 7- تخمین بازار محصولات نانو در خودروسازی در سال 2015 [2]

5- نتیجه‌گیری

ویژگی‌های منحصر به فرد نانوکامپوزیت‌ها، آن‌ها را به جزئی لاینفک از صنایع گوناگون من جمله صنعت خودرو بدل نموده است. آن‌چنان‌که شرکت‌های بزرگ خودروسازی از جمله تویوتا، میتسوبیشی و … در استفاده از قطعات نانوکامپوزیتی در محصولات خود، پیشگام شده و این صنعت را توسعه داده‌اند. تایرها، باتری‌ها، پوشش‌ها، سپر و برخی اجزای داخلی و خارجی خودرو امروزه نانوکامپوزیتی هستند. از این‌رو و با توجه به رویکرد وسیع بین‌المللی به تکنولوژی‌های جدید و به ویژه استفاده از مواد نانوکامپوزیتی، انتظار می‌رود که صنعت خودروی داخلی نیز اهتمامی ویژه و شایسته، نسبت به این امر داشته یاشد.

در داخل کشور نیز از جمله مجموعه‌های خودروسازی مانند ایران خودرو، حرکات مثبت و روبه جلویی در حوزه پوشش‌های خودرویی، قطعات و نیز منسوجات نانویی در حال شکل‌گیری است که می‌تواند نوید بخش و دلگرم کننده باشد. اگر چه تحقیقات و محصولات در حوزه بین‌الملل در بخش‌های مربوط به باتری‌ها و منابع انرژی، بدنه و قطعات مستحکم و سبک، تایرها و … به سرعت در حال تغییر و پیشرفت است و بایستی تلاش‌هایی در جهت همگام‌سازی و نزدیکی به آن‌ها صورت پذیرد.

 

منابع و مراجع:

 

1. صالحي وزيري،حسین، كاربرد كامپوزيت ها در صنعت خودرو
2. Future Markets, Inc. 2011; www.futuremarketsinc.com
3. http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=23934.php#ixzz3M3IKx2uO
4. Adv. Mater. 2000, 12, No. 23, December 1
5. R. Ottaviani, W. Rodgers, P. Fasulo, T. Pietrzyk, C. Buehler, Global SPE ,TPO Conference, September 1999
6. S. Fujiwara, T. Sakamoto, “Method for Manufacturing a Clay/Polyamide Composite”, Japanese Kokai Patent Application No.109,998 (1976), Assignee: Unichika K.K., Japan
7. http://home.halden.net/discovery/pics/timingbelt.jpg
8. http://nanotech.rozblog.com/post/8
9. http://www.nano.ir
10. WWW. Principaconsulting.com
11. http://nanoclub.ir/index.php/index.php?ctrl=paper&actn=paper_view&id=3527&lang=1
12. ساپكو، گزارش امور مهندسي و تحقيقات ساپكو، 1389
13. www.parsapolymer.com
14. 2008-nanocomposites report;www.bccreearch.com
15. وطن خواه دولت سرا، جعفر؛ نانوتكنولوژي علم پايه و تكنولوژي نوظهور، نشر طرح، بهار 1385.
16. دادگستر، محمدرضا؛ استفاده از نانو تكنولوژي در پوشش¬هاي خودرو، ماهنامه مهندسي خودرو و صنايع وابسته، شماره 5، 1388.
17. http://edu.nano.ir/index.php
18. The World Market for Nanocomposites; Future Markets, Inc. 2011
19. http://edu.nano.ir/index.php?actn=papers_view&id=207
20. سمت و سوي هاي تحقيقات نانو تكنولوژي، كميته مطالعات سياست نانو، 1382
21. معلمي اوره، عباس؛ بررسي جايگاه فناوري نانو در صنعت خودرو، همايش ملي نانو مواد و نانو تكنولوژي، دانشگاه آزاد اسلامي واحد نجف آباد، 1388

22. http://www.polymer87.blogfa.com/post-240.aspx

 

 

 

[1] thermoset

[2] thermoplastic

[3] Time belt cover

[4] Unitika

[5] General Motors

[6] Basell

[7] Safari

[8] Chevrolet Astro vans

[9] Chevrolet Impalas

[10] Thermoplastic olefin

[11] Electrostatic dispersion

[12] HEV

[13] PHEV

[14] گرافن یک صفحه مسطح از اتم های کربن با هیبریداسیون sp² و به ضخامت یک اتم است که در آن اتم‌های کربن در یک ساختار شبکه‌ای شبیه کندوی عسل کنار یک‌دیگر قرار گرفته‌اند. گرافن در حقیقت ساختار پایه‌ای گرافیت، نانولوله‌های کربنی و فولرین‌ها به شمار می‌رود. نمونه‌های گرافنی به شکل نانوفلس‌هایی روی ویفرهای Si/SiO₂ موجود هستند. ضخامت هر لایه گرافن حدود 34/0 نانومتر (ضخامت یک اتم) بوده و امکان تولید فلس‌های چندلایه از گرافن وجود دارد.

[15] Polyhedral Oligomeric Silsesquioxanes (POSS)

[16] Thermoplastic olefin

[17] PP

[18] PA

[19] SBR

[20] ABS

[21] polyplexinT11

[22] Natural rubber

 

———————————————————————

تهیه کننده گزارش

گروه ترویج صنعتی کامپوزیت و پلیمر

(مبنا پژوهان فناوری‌های نوین آتیه)

 

نگارش

زهرا صدرالدینی احمدیانی، امیر دارستانی فراهانی

 

بخش ترویج صنعتی ستاد توسعه فناوری های نانو و میکرو

 ====================================================================================

[جهت دسترسی به گزارش نهایی محصولات و شرکتهای دارای گواهی نانومقیاس ستاد توسعه فناوریهای نانو و میکرو به «کتب مرجع محصولات و تجهیزات نانو و صنعت» به نشانی (INDnano.ir/category/book) مراجعه کنید]

[همچنین برای دانلود فایل PDF کلیه گزارشات بهمراه جزئیات، به بخش گزارش های صنعتی پایگاه اینترنتی رسانه تخصصی نانو و صنعت (www.INDnano.ir/category/report) مراجعه نمایید]

 ====================================================================================