Kevlar – o polímero mais resistente do que aço.

Hoje falaremos sobre um polímero bastante especial, o Kevlar.  Este polímero enquadra-se no grupo de poliaramidas,  nome proveniente de três diferentes conceitos: poli, que significa muitos e refere-se ao grande número de repetições de uma mesma unidade estrutural – ou monômero – para formação das cadeias poliméricas;  ar de aromático, visto que a estrutura do Kevlar contém diversos anéis benzênicos; e amida, devido à presença desta função orgânica interconectando os anéis benzênicos na estrutura polimérica.

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Cadeias de Kevlar.  Fonte: Oficina da Web.

O Kevlar destaca-se por apresentar interessantes propriedades, tais quais resistência à corrosão e ao calor, baixo peso, manutenção de suas propriedades mesmo quando utilizado a baixas temperaturas, elevado módulo de elasticidade, grande resistência ao impacto e elevada resistência mecânica – o Kevlar é cerca de 7x mais resistente do que o aço por unidade de peso. Considerando que o Kevlar apresenta tamanha resistência, por que o polímero não é utilizado como componente estrutural de pontes, edifícios e demais obras da construção civil, mas sim o aço? Porque diferentemente do aço, o Kevlar apresenta baixa resistência à compressão, e esse tipo de solicitação é bastante comum nas estruturas mencionadas.

Ainda assim, as propriedades do Kevlar permitem aplicações surpreendentes. A mais famosa delas é o uso deste material como matéria-prima para coletes à prova de balas. Nesse caso, o polímero é produzido na forma de fios através de um processo denominado “air gap wet spinning”, no qual uma solução concentrada de Kevlar, muito quente e viscosa, é forçada através dos pequenos furos de um spinneret (espécie de fiandeira). Em seguida, a solução passa por uma cortina de ar e entra em um banho de coagulação, no qual o solvente é extraído e as fibras solidificam-se. Por fim, ocorre o bobinamento das fibras obtidas, as quais serão posteriormente tecidas e originarão os coletes, que terão resistência proporcional à quantidade de camadas utilizadas para sua confecção. O processo é mostrado no vídeo abaixo, no entanto o material processado é o Vinyon e não há a presença de cortina de ar. Convém destacar também que é utilizada uma solução de Kevlar para o processamento, na qual o polímero é misturado a um solvente, em vez de utilizar o material no estado fundido. Isso deve-se ao fato de que o Kevlar não é fusível, ou seja, quando aquecido o material sofre o fenômeno de decomposição, e não de fusão.

http://https://www.youtube.com/watch?v=ngEZMFaIrGE

O princípio de funcionamento de um colete à prova de balas é semelhante ao funcionamento de um brinquedo muito amado pelas crianças, a cama elástica. Quando o projétil entra em contato com o colete, as fibras de Kevlar absorvem parte da energia proveniente da colisão e a dissipam, o que normalmente é capaz de proteger o indivíduo atingido.  A absorção de energia é proveniente tanto da elevada resistência ao impacto do polímero quanto da forma com que as fibras são organizadas, tornando extremamente difícil separá-las. No entanto, algumas vezes a energia restante, destinada à pessoa atingida, ainda é capaz de feri-la fatalmente.

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Colete à prova de balas feito de Kevlar – Fonte: Wise Geek.

Outros usos do Kevlar, segundo a própria DuPont, fabricante do material, é em pistas de esqui, nas trilhas em ziguezague, em terrenos desérticos exigentes e até mesmo no espaço. Além disso, o polímero pode ser utilizado para forrar o compartimento do motor de aviões,  para a fabricação de raquetes de tênis, composição de alguns pneus e capacetes, capas de celulares, ou mesmo em abrigos para proteção contra tornados. A versatilidade deste material é inquestionável!

Fontes:

Mundo Educação;

Tecmundo;

Explain that Stuff;

Wise Geek;

DuPont;

Oficina da Web;

Gateway Coalition.

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Por que as teias de aranhas são tão resistentes?

Quando eu tinha uns 8 anos de idade cheguei impressionada contando para uma amiga minha que as teias de aranhas eram consideradas um material mais resistente que os aços, então ela acabou com todo o meu entusiasmo com uma simples pergunta: “Mas como elas podem ser tão resistentes se consigo destruí-las apenas passando a minha mão sem esforço algum?”
Bom, naquela época eu nem sabia o que era a engenharia e ciência de materiais e nem fazia ideia de como responder aquela pergunta. Mas hoje com o pouco conhecimento que tenho tentarei responde-la!
O que eu descobri foi que um fio de teia de aranha é inúmeras vezes mais forte do que o aço, se considerarmos a força resistida em relação ao seu peso. Porém, um fio tem cerca de um décimo do diâmetro de um fio de cabelo, então se a teia tivesse o diâmetro próximo ao de um lápis, provavelmente esse material conseguiria parar um Boeing em pleno vôo.
E qual exatamente é o material que a compõe?
A teia é um co-polímero anfifílico (ou seja, possui fragmentos hidrofóbicos e hidrofílicos) constituido de duas proteínas, cada uma contendo três regiões que fornecem ao material diferentes propriedades. Uma dessas regiões é amorfa que fornece a propriedade de elasticidade para a teia, assim quando um inseto atinge a teia ela absorve a energia cinética. As outras duas geralmente são cristalinas, são bem pregueadas e resistem ao estiramento, além disso uma dessas regiões possui rigidez. Essas pregas das regiões cristalinas menos rígidas não só encaixam nas dos cristais rígidos, mas também interagem com áreas amorfas nas proteínas, assim ancoram os cristais rígidos à matriz.  Como consequência teremos um material tenaz, resistente e elástico, que são muito maiores ao compararmos com outros materiais naturais ou sintéticos, como vemos na tabela abaixo:
Tabela 1 – Comparação do tipo de material com seu respectivo módulo elástico, resistência e energia necessária para rompe-lo. Fonte
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Na fabricação das teias, a aranha cisalha a proteína ao mesmo tempo que realiza a extrusão dela das suas glândulas. Paralelamente há a expulsão de água, fazendo com que os fragmentos hidrofílicos se projetem para fora, que leva ao desdobramento de uma estrutura conhecida como barris. Por isso, ocorre uma mudança macroscópica na emulsão, assim leva a uma polimerização que gera os fios das teias com a sua enorme resistência mecânica.
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Espero que eu tenha tirado essa dúvida de vocês e para questões mais técnicas, seguem os links das fontes que eu utilizei abaixo!
Fontes:
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Isopor feito com cogumelos?

Ao longo dos anos nos acostumamos cada vez mais com o uso de plásticos no nosso cotidiano. O isopor, que nada mais é do que o poliestireno expandido (EPS), encontramos na chegada dos nossos eletrodomésticos às nossas casas, na forma de embalagem, até no copo de café que compramos em qualquer lanchonete. O que muita gente não sabe é que estima-se que esse polímero leva por volta de 150 anos para se degradar, sendo que o utilizamos muitas vezes apenas durante minutos, além de ocupar aproximadamente 25% dos aterros sanitários. Ele também é um produto sintético, derivado do petróleo e que precisa de uma grande quantidade de energia na sua manufatura (um cubo com aresta de 33cm consome 1,5 litro de petróleo!), como muitos dos plásticos que somos habituados, e a sua reciclagem é cara, devido a baixa densidade do material e consequentemente grande volume, encarecendo o transporte.
Por isso, muitos pesquisadores estudam alternativas para o isopor. Uma dessas soluções foi encontrada pelo americano Eben Bayer da empresa Ecovative, que junto com sua equipe utilizou cogumelos para fazer um polímero que possua propriedades semelhantes ao poliestireno expandido.
Diferente dos polímeros industriais, que se transformam cada vez em menores partículas, o cogumelo está no ciclo de reciclagem natural do nosso planeta e por isso ele irá se decompor até mesmo em seu jardim, em um curto período de tempo. A parte do cogumelo utilizada para a produção do produto é o micélio, ela é utilizada no processo como uma cola, e essa propriedade dela permite que seja moldado como fazendo na indústria habitual. Além disso, ela torna o material isolante térmico e acústico, não inflamável, que resiste ao vapor e à umidade e com boa resistência ao impacto.
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A manufatura desses materiais pode ser divididades em 4 passos:
1. Selecionar a matéria-prima. Segundo o Eben, ela de preferencia tem que ser regional, por exemplo na China eles utilizam casca de arroz e na América do Norte utiliza-se casca de trigo ou aveia.
2. Preencher um molde com o formato que você deseja obter com o material.
3. Crescimento do micélio com essas partículas de matéria-prima. Nota-se que o organismo que trabalhará nessa etapa e não um equipamento.
4. Finalmente o produto! Ele pode ser embalagem ou um bloco de construção, por exemplo.
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Para ver como funciona a produção desde o desenvolvimento do material até se tornar um produto veja o vídeo abaixo:
Caso tenha um maior interesse sobre a empresa e o seu produto, você pode dar uma olhada no TEDTalk do seu co-fundador Eben Bayer em 2010.
Até a próxima semana!
Fontes:
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Você realmente conhece o Teflon?

No final dos anos 30 foi inventado pelo americano Roy J. Plunkett o politetrafluoretileno (PTFE), mais conhecido como Teflon e registrado pela companhia DuPont. Por mais que nós conheçamos ele geralmente por sua função antiaderente nas nossas panelas, a sua primeira aplicação foi bem diferente: A indústria bélica.
Durante a Segunda Guerra Mundial designers procuravam um material que fosse resistente aos componentes corrosivos das bombas e para essa aplicação eles utilizaram o PTFE. Apenas em 1954 dois engenheiros franceses descobriram que panelas revestidas desse material faziam com que a comida não grudasse nelas. Hoje, o Teflon possui inúmeras aplicações, como por exemplo na odontologia na área de regeneração óssea e tecidual e na medicina em forma de próteses. Além disso, pode ser utilizado para a fabricação de eletrodos e para a impermeabilização de tecidos.
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Para entender como esse material possui a propriedade antiaderente, temos que olhar primeiramente a sua estrutura química. O monômero do polímero, representado na figura abaixo, nos mostra que ao longo de todas as cadeias do PTFE existem apenas átomos de carbono e flúor.
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A forte ligação entre esses dois átomos pode ser explicada pela alta eletronegatividade do flúor.
Mas o que é eletronegatividade mesmo? Quando um átomo é muito eletronegativo há uma grande atração de elétrons por seu núcleo.
Através da tabela periódica abaixo, vemos que o flúor é o elemento mais eletronegativo. Por essa razão, as forças elétricas envolvidas nas moléculas, conhecidas como forças de Van der Waals, fazem com que os compostos contendo flúor repilam quaisquer átomos que se aproximem.
Por isso, é um material com grande estabilidade química em baixas temperaturas e que possui um dos menores coeficientes de atrito.
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Uma das grandes discussões hoje em questão é a toxicidade ou não do material. Sabemos que a pirólise do Teflon começa por volta de 220°C, porém cientistas acreditam que só fará mal à saúde se a temperatura em que o produto é exposto for maior do que 250°C. A pirólise gera alguns gases tóxicos como produtos da reação, alguns deles estão nessa lista. Esses podem ter diversos efeitos nos seres humanos e nos outros animais e podem até mesmo parecer com sintomas semelhantes aos do vírus da gripe.
Para termos uma noção, a carne é frita entre 200-232ºC e o ponto de fumo da maioria dos óleos é antes de 260°C. Por isso, é muito importante sabermos quais materiais podemos e não podemos usar em certas situações do nosso dia.
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