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