Полимеры: ангелы-хранители дорожной безопасности

Говоря, что пластмассы, используемые в автомобилях, служат только для того, чтобы сделать их легче, мы недооцениваем их роль… Полимеры также способствуют безопасности автомобилистов и других участников дорожного движения.

Автомобили: полимеры держат удар

В дорожной безопасности различают активную и пассивную безопасность. Одно от другого отделить невозможно. Первая направлена на предотвращение аварий, вторая — на ограничение их последствий для пассажиров. Сегодня активная безопасность во многом обеспечивается электроникой, которой оснащаются современные автомобили: Тормозные системы с ABS, радары, системы экстренного торможения или предупреждения о сходе с полосы движения и даже (на самых дорогих автомобилях) инфракрасные системы дистанционного зондирования, известные как Lidar.

Несмотря на свою эффективность и значительное сокращение числа смертей и травм на дорогах, эти устройства не являются гарантом безопасности.
Полимеры не только используются в электронике, но и применяются в шинах, которые в большинстве случаев армируются полиэфирными или полиамидными текстильными волокнами и различными пластифицирующими смолами, что позволяет придать шинам исключительные эксплуатационные характеристики и долговечность.

Другой наглядный пример — щетки стеклоочистителей, которые изготавливаются из эластомеров, очень гибких полимеров. Они подстраиваются под форму лобового стекла и обеспечивают оптимальную очистку для максимальной видимости. Они более устойчивы к воздействию ультрафиолетовых лучей, чем натуральный каучук, и поэтому не так быстро разрушаются.

Пассивная безопасность не менее важна и находится в центре внимания производителей, и здесь предпочтение отдается полимерам благодаря их способности поглощать удары.

Если речь идет об «эффекте аккордеона», пластик знает, когда нужно сжиматься

До 1940-х годов автомобили создавались на основе тяжелой металлической рамы из стальных прутьев, на которой размещались кузов, двигатель, колеса и пассажирский отсек. Это делает автомобиль прочным, и он легко выдерживает удары на средней скорости. К сожалению, это не всегда верно для пассажиров. Инженерам потребовалось время, чтобы понять, почему некоторые люди не выживают в аварии, когда автомобиль практически не деформируется. Теперь объяснение известно, и оно довольно простое: жесткий автомобиль не поглощает удары, и генерируемая ими очень мощная энергия немедленно передается в салон. Именно пассажиры принимают на себя основной удар, и результат часто оказывается фатальным…

Поэтому автомобили должны быть более деформируемыми, чтобы поглощать энергию. Для этого начиная с 1950-х годов производители постепенно отказываются от традиционного шасси в пользу так называемой монококовой конструкции — своеобразной клетки, состоящей из кузова и пола. Изготовленная из стали, эта конструкция призвана деформироваться в случае фронтального или заднего удара, оставляя пассажирский отсек нетронутым, что некоторые называют «клеткой выживания». Это своего рода эффект аккордеона! Современный автомобиль рассчитан на постепенную деформацию. В зависимости от силы удара сначала амортизируются бамперы, затем шасси, которое деформируется в определенных точках, чтобы двигатель не приземлился на колени пассажирам спереди, а рулевая колонка не проломила череп водителю.

То же самое относится и к капоту, который складывается и выбрасывается вверх, чтобы предотвратить эффект гильотины. Цель этих многочисленных технологических достижений — сделать из салона «убежище», которое должно оставаться жестким, чтобы защитить пассажиров. Некоторые спортивные или очень дорогие автомобили оснащаются отсеком для выживания, изготовленным из композитного материала карбон/эпоксид, известного как полимер, армированный углеродным волокном (CFRP) — материалом, который намного легче и жестче стали, сложнее по форме и прежде всего дороже. Исключением из правил стал выпущенный в 2013 году BMW I3 — первый электромобиль в линейке компании, оснащенный частично CFRP-элементом. Несмотря на это, было выпущено 250 тыс. экземпляров, но их цена не шла ни в какое сравнение с моделями, сопоставимыми по размеру и мощности…

То, что сегодня автомобили стали безопаснее, отчасти объясняется применением полимеров — материалов, достаточно гибких, чтобы поглощать удары, а также неровности дороги.

Изготовление кузова: полимеры чувствуют себя на высоте

Изначально бамперы представляли собой не что иное, как металлическую планку. У них была только одна функция: защищать кузов. Конечно, они обеспечивали эффективную защиту, если удары были не слишком серьезными. Но их жесткость была такова, что они могли нанести серьезный ущерб участникам движения, как пешеходам, так и велосипедистам. Они просуществовали более 70 лет, до 1960-х годов, когда американский гигант General Motors начал использовать пластик для изготовления бамперов своих автомобилей. Это произошло по двум причинам: они легко поддаются литью, что открывает двери для широкого спектра дизайнерских решений, и прежде всего их гибкость была преимуществом для инженеров GM с точки зрения амортизации.

Еще одно преимущество заключается в том, что в случае столкновения на малой скорости они не ломаются и после деформации возвращаются к своей первоначальной форме. Первым в мире автомобилем, оснащенным таким элементом, стал роскошный Pontiac GTO, вышедший в 1968 году. Его передний бампер был изготовлен компанией General Motors из полимера под названием Endura.

Оставалось только убедить будущих владельцев, привыкших к чрезвычайно популярным хромированным решеткам… Поэтому директор компании без колебаний поднялся на сцену для рекламы и ударил по бамперу кувалдой, чтобы показать его прочность. Путь был расчищен, и мало-помалу все производители отказались от металла в пользу полимеров.

В Европе их впервые представила компания Renault в 1972 году на своем новом автомобиле R5. В отличие от американцев, производитель предпочел использовать стекловолокно, пропитанное полиэфирной смолой. Это был первый серийный автомобиль для повседневного использования, на котором были установлены пластиковые бамперы. Для массового производства этого компонента Renault даже пришлось создать завод практически с нуля, что само по себе было серьезной инновацией.

В 1980 году, в период ускоряющейся глобализации, ведущие мировые производители подписали соглашение о согласовании выпуска автомобилей на европейском и североамериканском рынках (которые до сих пор являются двумя крупнейшими рынками в мире). Согласно этому соглашению, бамперы должны быть способны поглощать энергию в соответствии с новым стандартом. Именно так полимеры получили широкое распространение, поскольку они являются единственными материалами, способными соответствовать этим нормам, которые в 2009 году еще больше ужесточились, включив в себя меры по защите пешеходов (например, запрет на острые углы). Очевидно, что это не проблема для полимеров, которые могут быть отлиты в любую форму.

Сегодня бамперы в основном изготавливаются из полипропилена, поликарбоната (PC) и акрилонитрил-бутадиен-стирола (ABS), которые являются сверхпрочными полимерами. Далее следуют блоки пены, которые обычно изготавливаются из вспененного полипропилена (EPP) — материала, сочетающего легкость и отличную амортизационную способность. Постепенно деформируясь, эти пенопласты активно участвуют в создании желаемого эффекта аккордеона. Этот же материал можно встретить в сиденьях, детских креслах, подголовниках и дверях.
В самом деле, в то время как корпус должен оставаться как можно более жестким, чтобы не прогибаться при ударе, это не относится к другим элементам, таким как сиденья, которые должны быть не только комфортными, но и достаточно гибкими, чтобы поглощать избыточную энергию, возникающую при ударе. Это особенно актуально, когда удар происходит сзади и пассажиры автомобиля отбрасываются к спинкам и подголовникам своих сидений.

Приборные панели и ветровые стекла: неизменный успех пластика

В то время как многие элементы незаметно облицованы EPP (вспененным полипропиленом), другие не скрывают этого. Это касается приборных панелей, которые представляют собой настоящий каталог полимеров: полипропилен (PP), акрилонитрил-бутадиен-стирол (ABS), поливинилхлорид (PVC)… Выбранные за небольшой вес и простоту использования в любых формах, цветах и фактурах, эти элементы обладают прежде всего главным достоинством — они не разлетаются вдребезги, не рассыпаются на кусочки в результате удара, даже серьезного, и, таким образом, не травмируют пассажиров автомобиля.

По этой же причине лобовые стекла теперь изготавливаются из многослойного стекла. Они состоят из невидимой пластиковой пленки (обычно поливинилбутиральной), проложенной между двумя стеклянными листами. В случае взрыва стекло остается приклеенным к пленке, не разлетается по салону и не рискует сильно поранить пассажиров.

Подушки безопасности: решение за полимерами

Величайшая инновация в области безопасности дорожного движения последних десятилетий хорошо спрятана! Это подушка безопасности, изготовленная из полиамида-6.6, более известного под торговой маркой Nylon, которая надувается через несколько микросекунд после удара. Хотя подушки безопасности не являются обязательными во всех странах, сегодня они присутствуют в каждом уголке автомобиля. В зависимости от модели их может быть до десятка: руль, приборная панель, двери, обшивка крыши и т.д. Но изобретение это не новое.

Они были разработаны американскими производителями в 1950-х годах. Изначально идея заключалась в том, чтобы отказаться от ремней безопасности, которые в то время были простыми и непрактичными поясными ремнями. Уже изготовленные из полиамида, первые подушки безопасности были установлены на парк автомобилей Chevrolet, но они не имели большого успеха.

Только в 1980-х годах немецкая компания Mercedes взяла это новшество на вооружение и усовершенствовала его для своих роскошных моделей. Подушка безопасности, несомненно, спасла тысячи жизней. Однако есть одно условие (и в этом кроется главная проблема): вы должны быть пристегнуты ремнем безопасности.

Никогда не оставайтесь без ремня

Об этом мало кто знает, но подушка безопасности в сочетании с ремнем безопасности чрезвычайно хорошо продумана. Подушка безопасности — это не просто воздушный шарик, она состоит из множества ячеек. Когда она надувается, давление становится очень сильным, и немногие ткани могут его выдержать, поэтому используется полиамид-6.6. Одним словом, надувшись, она становится твердой, как каменная глыба, и, если ее не закрепить, пассажира автомобиля отбросит к ней. Именно поэтому ячейки разработаны таким образом, чтобы лопаться сразу после надувания, делая подушку более мягкой.

Именно здесь ремень безопасности играет важную роль.Оснащенный преднатяжителем, он сначала прижимает пассажира к сиденью. Затем, спустя несколько миллисекунд, ремень отпускается, позволяя телу двигаться и очутиться на уже сдувающихся подушках безопасности, которые в полной мере выполняют свою защитную функцию.

Ремни безопасности существуют очень давно. Впервые они появились в 1896 году в виде привязных ремней, которыми оснащались некоторые гоночные автомобили. Их цель заключалась в том, чтобы предотвратить выброс гонщика из автомобиля при повороте. Но это по-прежнему был не более чем простой набедренный ремень из тонко сплетенного хлопка. Единственная проблема заключалась в том, что в случае серьезного удара этот ремень наносит серьезную травму печени и селезенки. Только в 1959 году он претерпел первую серьезную эволюцию. Он был разработан инженером Volvo, который установил в автомобиле три точки крепления, что позволило использовать одну полоску ткани для изготовления поясного и диагонального ремня. Так появился современный ремень безопасности, которым вскоре стали оснащать все автомобили марки, сделав Volvo одним из пионеров в области безопасности. Между прочим, компания решила оставить свое изобретение в открытом доступе, чтобы им могли воспользоваться все участники дорожного движения, независимо от того, ездят ли они на Volvo или на любом другом автомобиле.

С тех пор ремни эволюционировали относительно мало. Втягивающая система, разработанная Peugeot, и сегодня используется во всех ремнях в мире, которые оснащены системой предварительного натяжения, затягивающей ремень в случае удара, как уже упоминалось выше. После окончания Второй мировой войны предпочтительным материалом стал полиамид — полимер, устойчивый к разрывам при плетении, гибкий и удобный.

Пластик: надежность налицо

Безопасность на дорогах — это в равной степени и безопасность пешеходов и двухколесного транспорта, велосипедистов и мотоциклистов, и безопасность водителя и пассажиров автомобилей. Хотя достижения в этой области не столь впечатляющи, они тем не менее заслуживают похвалы, поскольку полимеры здесь также играют важную роль.

От мотоциклов до велосипедов: подушки безопасности становятся все более распространенными

Повсеместное использование подушек безопасности началось всего два десятилетия назад, но технология этих надувных амортизаторов уже используется во многих местах. Их можно найти в куртках и брюках мотоциклистов, в жилетах лыжников-экстремалов, а с недавних пор — даже на мотоциклах и велосипедных шлемах.

Технология, как и материал (полиамид), по сути, одинаковы, но инновации заключаются главным образом в форме, которую принимает подушка безопасности после надувания.
Что касается мотоциклов, то японская компания Honda положила начало этому процессу в 2006 году, оснастив мощный туристический мотоцикл Gold Wing самой первой подушкой безопасности. Она располагалась в баке и срабатывала в случае лобового столкновения, чтобы водитель не перелетел через руль или не застрял в нем.

Однако этого было недостаточно, чтобы защитить его в довольно часто встречающихся боковых столкновениях. Это одна из причин, по которой производители снаряжения разрабатывают полиамидные подушки безопасности в виде безрукавных жилетов, которые надеваются поверх куртки.
Они соединены с мотоциклом шнурком, который в случае выброса ударяет по газовому баллону подушки безопасности, или оснащены датчиком, который может обнаружить удар. Этот же принцип уже несколько десятилетий используется в спасательных жилетах моряков.

Однако все изменится благодаря компании Honda, которая в начале 2023 года подала ряд патентов на новый тип мотоциклетной подушки безопасности. И снова производитель решил установить ее непосредственно на мотоцикл. На самом деле, как и в автомобилях, это не одна, а несколько подушек безопасности. Первая раскрывается в спинке сиденья и обхватывает туловище водителя. Вторая располагается между ног и раскрывается за спиной. После надувания подушки безопасности отсоединялись от мотоцикла и оставались обернутыми вокруг водителя, защищая его тело в случае падения, но что более важно — в случае столкновения, например, со встречным автомобилем. Кроме того, итальянская компания Piaggio и шведская Autoliv, мировой лидер в производстве систем подушек безопасности для автомобилей, недавно объединили усилия для разработки подушки безопасности для двух колес. Установленная непосредственно на шасси сначала скутеров, а затем и мотоциклов, она будет срабатывать за несколько миллисекунд.

Велосипедисты тоже имеют право на собственную подушку безопасности, ведь для них существует специальная модель. Недавно представленная шведской компанией Hövding, она выполнена в виде шейного корсета. Оснащенная различными датчиками, она срабатывает за 1/10 секунды вокруг головы велосипедиста в случае падения. Хотя он заменяет шлем и является менее жестким, он стоит дороже и остается одноразовым изделием.

Шлемы: пластик вылезает из своей оболочки

Шлемы сегодня — обязательный элемент безопасности для всех пользователей двухколесного транспорта, как моторизованного, так и нет. Шлем байкера хорошо известен, его оболочка (внешняя часть) обычно изготавливается из поликарбоната, прочного материала, который отливается под давлением. Более дорогие модели могут быть изготовлены из стекловолокна и эпоксидной смолы. В основе конечного продукта лежит композит из углеродных и арамидных волокон и эпоксидной смолы. Преимущество двойное: это сверхзащитный шлем и очень легкий, что делает его менее изматывающим для шеи.

Амортизирующая внутренняя часть изготовлена из вспененного полистирола или полиэфирной пены и покрыта тканью из синтетических волокон, таких как полиамид или полиэстер, для удобства чистки.

Хотя все одобренные шлемы обеспечивают эффективную защиту, разница между более высокими и низкими классами заключается в деталях, таких как количество вентиляционных отверстий для более свободной циркуляции воздуха или качество козырьков, которые обычно изготавливаются из поликарбоната и могут иметь антитуманное покрытие, что, в свою очередь, способствует безопасности.

Шлем можно сделать даже «умным». Французский стартап Kosmos Smart Helmets недавно выпустил первый «умный» шлем. В него встроен стоп-сигнал, состоящий из светодиодов — миниатюрных пластиковых лампочек, которые потребляют мало энергии и очень легкие. Он напоминает третий стоп-сигнал в автомобилях. Еще лучше то, что шлем связан со смартфоном мотоциклиста и способен отправить экстренное сообщение в случае серьезного столкновения.

Следующее поколение мотоциклетных шлемов вполне может включать в себя подушку безопасности. Излишняя ли это конструкция? Нельзя сказать наверняка, поскольку итальянский производитель шлемов Airoh и шведская компания Autoliv, инициировавшие данный проект, доказали, что подушка безопасности является прекрасным дополнением к шлему, снижающим риск получения серьезных травм головы в случае аварии. Подушка безопасности будет располагаться в верхней части шлема и раскрываться по кольцу. Этот шлем будущего еще находится в стадии разработки, но многие мотоциклисты уже ждут его…

Несмотря на то что велосипедные шлемы выглядят проще, к ним не следует относиться легкомысленно — даже несмотря на то, что чаще всего стремятся к простоте! Их оболочка обычно изготавливается из ПВХ или поликарбоната, иногда из ABS. Внутри также преобладает полистирол в вспененном или пенопластовом виде. Это легкий полимер с очень хорошими амортизационными свойствами. Для моделей из вспененного полистирола требуется дополнительное усиление. Оно может быть выполнено из
полиамида, кевлара или даже арамида, усиленного кевларом.

Независимо от формы, полистирол поглощает серьезные удары, когда деформируется. Эта способность к прогибам, связанная с упаковкой материала, очень важна, поскольку она уменьшает эффект отскока и тем самым защищает череп. К сожалению, полистирол никогда не возвращается к своей первоначальной форме и после сжатия теряет свою эффективность. По этой причине настоятельно рекомендуется менять шлем после серьезного удара.

С развитием экологической транспортной сети число велосипедистов стремительно растет, что подталкивает производителей шлемов к постоянным инновациям. Так, на некоторых моделях высшего класса можно увидеть небольшой логотип MIPS (Multi-Directional Impact Protection System). Эта технология вдохновлена спинномозговой жидкостью, которая не позволяет мозгу врезаться в череп в случае удара, способного привести к повреждению мозга. По сути, эта система состоит из дополнительной поликарбонатной крышки, помещенной внутрь шлема. Он не прижимается к оболочке, а соединен с ней небольшими эластомерными стержнями, создавая небольшую воздушную подушку. В случае удара колпачок и оболочка сдвигаются на несколько миллиметров друг относительно друга, позволяя вращательным силам лучше рассеиваться и предотвращая контакт мозга с черепной коробкой.

Этот костюм стал незаменимым!

Именно эти принадлежности чаще всего помогают защитить пешеходов, велосипедистов и мотоциклистов в случае аварии. Список их длинный, почти такой же длинный, как и список полимеров, из которых они состоят. Например, мотоциклетные куртки могут быть оснащены плечевыми, локтевыми, задними и другими накладками из полиуретана, полиэтилена или даже углеродного волокна. Они защищают суставы и предотвращают ожоги от скольжения. Одежда и перчатки также изготавливаются из Cordura®, полиамида, который особенно устойчив к истиранию.

Приз за инновации достался бренду Urban Circus, который в сотрудничестве с производителем шин Continental разработал полностью полиэстеровую куртку с водоотталкивающей обработкой и тысячами светоотражающих стеклянных микробисеринок. Дизайнеры утверждают, что ночью ее можно обнаружить на расстоянии до 300 м, в то время как традиционная белая одежда находится на расстоянии 50 м. Добавление флуоресцентных вставок также улучшает видимость в дневное время.

Производитель мотокуртки Raylier для улучшения видимости байкеров предпочел использовать светодиоды, встроенные спереди и сзади, вокруг груди. Водитель управляет ими, нажимая кнопку на предплечье, и выбирает, будут ли они гореть постоянно или мигать. Куртка также оснащена датчиком торможения, который быстро зажжет светодиоды в случае экстренного торможения.

Наконец, упомянем и об инициативе французской строительной компании, которая, на первый взгляд, может вызвать улыбку. Она разработала человеческую фигуру в натуральную величину, изображающую рабочего. Вырезанная из листа ПВХ, она размещается рядом со строительной площадкой, чтобы замедлить движение автомобилистов. Для психоаналитиков это идеальная иллюстрация когнитивного подхода. Тесты показали, что вид силуэта более эффективно тормозит водителей, чем традиционный знак «Осторожно, стройка». Это говорит о том, что в области безопасности дорожного движения даже самые примитивные идеи имеют свое место, когда речь идет о спасении жизней.