ПОЛИМЕРЫ В АВТОМОБИЛЕСТРОЕНИИ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 691.175

Илларионов В.А. студент

химико-технологический институт Уральский государственный лесотехнический университет

Малозёмов О.Ю., канд. пед. наук

доцент

Уральский государственный медицинский университет

Россия, Екатеринбург

ПОЛИМЕРЫ В АВТОМОБИЛЕСТРОЕНИИ

Аннотация. В статье приводятся сведения по технологии производства, физико-химическим свойствам, применению в автомобилестроении полимерных композиционных материалах. Акцентировано внимание на полипропилене и полиуретане.

Ключевые слова: полимерные композиционные материалы.

Illarionov V.A. student

Institute of Chemical Technology Ural state forestry engineering university Malozemov O.Yu., kand. ped. sciences

associate professor Ural state medical university Russia, Yekaterinburg

POLYMERS IN THE AUTOMOTIVE INDUSTRY

Annotation. The article provides information on production technology, physico-chemical properties, and the use of polymer composite materials in the automotive industry. Attention is focused on polypropylene and polyurethane.

Keywords: polymer composite materials.

В последние годы функции полимерных материалов в промышленности изменились - они применяются для более ответственных деталей. Из них изготавливают всё больше мелких, но конструктивно сложных и ответственных деталей машин и механизмов. Одновременно с этим, полимеры чаще применяются для изготовления крупногабаритных существенно нагружаемых деталей. В целом полимерные композиционные материалы (ПКМ) являются одними из основных конструкционных материалов в автомобилях, а некоторые зарубежные фирмы уже объявили о начале производства цельнопластиковых автомобилей.

ПКМ, используемые в автомобилестроении, это в первую очередь продукция из углеродного волокна, важное преимущество которого -небольшая плотность и высокая прочность. Углепластик, например карбон, легче стали в 5 раз, алюминия - в 1,8 раза. Использование ПКМ в автомобиле снижает его массу на 15-30%, а снижение массы на 100 кг приводит к меньшему расходу топлива на 0,5 л на 100 км. Разумеется, высокотехнологичные конструкционные полимеры не экономичнее металлических сплавов и процесс формования деталей из полимеров длительнее, чем штамповка стального листа, однако им не требуется защита от коррозии [1, 10].

Углеродные волокна производят из синтетических и природных волокон на основе полимеров. В зависимости от режима обработки и исходного сырья получаемые материалы имеют разную структуру и разные свойства, в чём их основное преимущество. За счёт этого можно создавать материалы с заданными свойствами для конкретных целей [1]. Логично, что стеклопластики и углепластики активно используются в производстве болидов «Формулы-1», поскольку, снижая массу автомобиля, выигрываем в его скорости, что важно для гоночных автомобилей.

В настоящее время в автомобилестроении используются следующие материалы (рис. 1).

■22Н Металл

16П Иткш

Рисунок 1. Материалы, используемые в автомобилестроении.

Из представленных данных понятно, что пластики сейчас занимают третье место в автомобилестроении. По сравнению с американскими производителями, у которых доля полимеров в общей массе среднего легкового автомобиля составляет 11-13%, в легковых автомобилях российского производства эта цифра всего 4-9%, т.е. отечественный автопром пока отстаёт от зарубежного по этому показателю (рис. 2).

Рисунок 2. Весовое содержание полимеров в различных моделях

автомобилей.

Наиболее используемый пластик - полипропилен (32% из всех пластиков, используемых в производстве), на втором месте (17%) -полиуретан [2].

Полипропилен (С3Н6)п - это термопластичный полимер, используемый в самых разных областях. Являясь насыщенным аддитивным полимером, изготовленным из мономера пропилена, он прочен и очень устойчив ко многим химическим растворителям, основаниям и кислотам [2, 3]. Полиуретан - это высокомолекулярные соединения, содержащие в основной цепи макромолекулы уретановые группировки [4].

Рисунок 3. Строение полиуретана.

Полиуретан применяют для изготовления плёнок, манжет, уплотнений, прокладок, гидроманжет, грязезащитных чехлов, рукояток, подшипников скольжения и профилей. Чаще из полиуретана изготавливают сайлентблоки (резинометаллические шарниры), представляющие две металлические втулки, между которыми имеется резиновая вставка (запатентованы 29.08.2012) [9]. Сайлентблоки служат для соединения деталей подвески, и за счёт упругой вставки между втулками (резина или полиуретан) гасят колебания, передаваемые от одного узла к другому. На него приходятся самые большие нагрузки в подвеске автомобиля [6, 7]. Сайлентблоки выполняют важные функции: сцепление компонентов подвески, подавление вибраций, передающихся по цепной реакции между узлами.

Преимущества полиуретановых сайлентблоков в следующем:

• Долговечность. В сравнении с резиновыми, у полиуретановых сайлентблоков рудиментарные деформации существенно ниже, поэтому детали из эластичного полиуретана существенно долговечнее. За счёт повышенной масло-, бензо-, влаго- и износоустойчивости гарантирован продолжительный период эксплуатации эластичных полиуретановых деталей даже в максимально сложных условиях климата, в непростых дорожных условиях. К тому же, рабочая эффективность такого рода сайлентблоков - в пять раз более высокая, нежели у резиновых [5].

• Надёжность. Полиуретановые детали по причине своей стойкости, упругости сберегают рабочее состояние даже после продолжительных сильных нагрузок [5].

• Прочность. В сравнении с резиной, предельная величина прочности полиуретана значительно выше. Эластичные полиуретановые детали практически не подвержены уничтожению, намного эффективнее справляются с нагрузками. Сайлентблоки из полиуретана намертво сцепляются с металлическими элементами клеем, что исключает их отслойку, отрыв друг от друга во время максимальных нагрузок [6].

Литьевой полипропилен получают путём пластификации (в отсутствие воздуха) порошкообразного или гранулированного полипропилена и его перемещения (при высокой скорости и давлении) в литьевую формующую плоскость, в которой он твердеет за счёт сшивки или охлаждения. Под воздействием высокой температуры в цилиндре, гомогенизированный полипропилен в состоянии вязкой текучести впрыскивается в форму, имеющую температуру, достаточную для затвердевания расплава. При открывании формы полипропилен автоматически выбрасывается [8].

Полиуретаны можно получать реакциями поликонденсации и полиприсоединения. Наиболее практически используемая - реакция полиприсоединения, основанная на взаимодействии диизоцианатов с соединениями, содержащими не менее двух гидроксильных групп в молекуле. Например, это могут быть карбоцепные гликоли или простые и сложные олиго-эфиры с концевыми гидроксильными группами. Оборудование для подготовки и переработки сырья, получение детали и технологическая схема производства продуктов представлены на рис. 4, 5, 6, 7.

а - плавление и пластификация массы: 1 - поршень, 2 - загрузочный бункер, 3 - нагреватели, 4 - цилиндр, 5 - разъёмная форма, б -впрыскивание массы в форму и выдержка, в - размыкание формы. Рисунок 4. Схема оборудования для переработки полипропилена (литьё

под давлением).

Рисунок 5. Схема получения детали из полиуретана.

Технологическая схема непрерывного процесса производства полипропилена: 1 -смеситель, 2 - полимеризатор, 3 -газоотделитель, 4 - аппарат для разложения, 5, 7 - центрифуги, 6 -аппарат для промывки, 8 -сушилка.

Рисунок 6. Технологическая схема получения полипропилена.

Схема производства АБС-сополимеров методом привитой сополимеризации в эмульсии: 1- реактор для получения латекса каучука, 2 - сборник-хранилище латекса, 3 - смеситель, 4 - реакторы, 5 - аппарат для отгонки мономеров, 6 - аппарат для коагуляции латекса, 7 - сборник суспензии, 8 - барабанный вакуум-фильтр непрерывного действия, 9 -

ленточная сушилка, 10 - бункер.

Рисунок 7. Технологическая схема получения полиуретана.

По эксплуатационным свойствам полипропилен: 1) имеет минимальную коррозию, позволяющую продлить срок службы автомобиля, 2) позволяет продвигать творчество и инновации за счёт свободы дизайна, 3) способствует гибкости в интеграции компонентов, безопасности, комфорту и экономии, 4) пригоден для вторичной переработки.

Полиуретан (в машиностроении и автомобилестроении) ценится за счёт механической прочности, отличной масло- и бензоустойчивости, а также долговечности.

В сравнении со своим аналогом - резиной, полиуретан в случае появления мощной деформации способен намного дольше сохранять свою эластичность, упругость. В автомобилестроении у полипропилена аналогом являются металлы, по сравнению с которыми он имеет: 1) исключительную долговечность, 2) высокие показатели прочности, 3) устойчивость к различным агрессивным средам, 4) широкий рабочий температурный диапазон, 5) малый вес, 6) хорошие электроизоляционные свойства.

Кроме автомобилестроения, полипропилен используется в медицине, электронике и электротехнике, волоконном производстве. Полиуретан применяется практически во всех сферах промышленности, для изготовления самых разнообразных уплотнений, эластичных форм для изготовления декоративных камней, защитных покрытий, лакокрасочных изделий, высокопрочных клеев (растворы полиуретана в органических

растворителях), герметиков, деталей маломощных машин (валов, роликов, пружин и т. п.), изоляторов, имплантатов и прочих изделий. Из полиуретана, благодаря его чрезвычайно высокой износостойкости, изготавливаются подошвы обуви, спортивные шины, втулки и прокладки для фиксации абразивных камней в промышленности (причём более прочные и долговечные, чем металлические). Из полиуретана изготавливают отбойники для автомобильных амортизаторов [11].

Вышеизложенное, позволяет сделать вывод о том, что в автомобилестроении полимеры (сейчас в основном используются полипропилен и полиуретан) в скором будущем будут ещё более востребованы.

Использованные источники:

1. Тимошков П.Н., Хрульков А.В., Язвенко Л.Н. Композиционные материалы в автомобильной промышлености / Труды ВИАМ. 2017. URL: http://viam-works.ru/ru/articles?art_id=1117

2. Высокомолекулярные пластики, используемые в автомобильной промышленности. URL: https://koros.biz/info/articles/polimery/13 vysokoproizvoditelnykh-plastikov-ispolzuemykh-v-avtomobilnoy-promyshlennosti/

3. Полипропилен. URL: https://mplast.by/encyklopedia/polipropilen/

4. Полиуретан. URL : https://www.timol.com.ua/used/mashinostroenie_i_avtomobilestroeniye

5. Полипропилен в автомобилестроении. URL: http://www.camelotplast.ru/info/pererabotka-polypropilena

6. Полиуретановые сайлентблоки, их изготовление. URL: https://sport-weekend.com/poliuretanovye-saylentbloki-ih-izgotovlenie.htm

7. Сайлентблоки. URL: https://www.drive2.ru/b/2186596/

8. Обработка полимерных материалов. URL: https://www.onila.ru/?page_id=1471

9. Патент SU 223 445 A1 Сайлентблоки из полиуретана

10. Machin Design. URL: https://www.machinedesign.com/community/contributing-technical-experts/article/21831905/will-carbon-fiber-find-widespread-use-in-the-automotive-industry

11. Полипропилен основные области применения. URL: https://plastinfo.ru/information/articles/52/