O biodegradável pode não ser tão sustentável assim

Os materiais biodegradáveis são aqueles que se decompõem mais rapidamente na natureza e por consequência disso geram um menor impacto ambiental, pois evitam a contaminação do solo e dos rios, por exemplo. Como sustentabilidade hoje é um assunto muito recorrente, a produção e pesquisas relacionadas com esses materiais se tornou mais frequente nos últimos anos. Uma aplicação desses materiais é no reforço por fibras de materiais compósitos com matriz polimérica.

É comum a utilização de fibras em materiais compósitos para melhorar algumas propriedades do material. Nesse caso pode ser tanto utilizado fibras sintéticas como fibras orgânicas, por exemplo fibras de celulose em nanoescala (NFC). Numa pesquisa realizada nos institutos Imperial College London e na University College London foram feitas comparações entre as NFC e os seguintes tipos de materiais: Resina epóxi reforçada com fibras de celulose bacteriana ou derivada de fibras de madeira (BC), fibras de vidro com polipropileno(GF/PP) e o polímero biodegradável poliácido lático (PLA).

Os testes com as fibras de nanocelulose mostraram que o material possui uma boa performance, além de possuir uma menor toxicidade e menor densidade do que as fibras de vidro. Como é um material biodegradável e natural era de se esperar que o seu impacto ambiental fosse muito menor do que os compósitos feitos com materiais sintéticos. Porém não foi esse o final da história, pelo contrário!

Os pesquisadores consideraram cada estágio da produção desses materiais, desde a extração da matéria prima até a manufatura do produto final e descobriram algo surpreendente: os compósitos com materiais biodegradáveis podem não ser tão eco-friendly assim. Na verdade, em comparação com o PLA e com o GF/PP, eles são mais poluentes.

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Gráfico Potencial de Aquecimento Global considerando processos envolvidos na produção dos materiais PL

Um dos principais fatores que fazem o compósito de epóxi reforçado com fibras de nanocelulose é o processo de infusão de resina a vácuo, pois os consumíveis do processo não são eco friendly. Já o BC não é tão sustentável devido a produção de glicose necessária para o cultivo bacteriano e também devido a limpeza e purificação que devem ser realizadas após o cultivo.

Porém se considerarmos o ciclo de vida completo da peça, até o seu descarte, esse quadro começa a mudar e se torna viável a utilização de fibras de nanocelulose do ponto de vista ambiental, principalmente se utilizada em grande quantidade. Uma aplicação onde esse material poderia ser utilizado é em partes de automóveis, porque quanto menor o peso dos seus componentes, menor será o consumo de combustível.

Essa pesquisa realizada por Kong-Yang Lee nos leva a refletir que nada adianta criarmos um material biodegradável, que não agride o meio ambiente quando descartado, e simplesmente ignorar os problemas ambientais que o processo desse material pode gerar. É muito importante conseguirmos gerar um processo sustentável desde a extração da matéria-prima até o descarte do produto final.

Texto baseado em:

Life cycle assessment of nanocellulose-reinforced advanced fibre composites.

Materials Today – How green are cellulose-reinforced composites?

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Materiais autorreparáveis

Materiais falham a todo momento, seja por envelhecimento, desgaste, fadiga, ação de defeitos concentradores de tensões, ou outros fatores.  Assim, é necessária ação humana para repará-los, substitui-los ou agir preventivamente para evitar que o componente falhe. Imaginem como nossas vidas, tanto pessoal como profissional, seriam simplificadas se os materiais fossem autorreparáveis e não precisássemos fazer monitoramento, substituições ou reparos preventivos para evitar falhas, tampouco reparar ou substituir o material em caso de danos. Construções seriam mais seguras, carros batidos não precisariam ser arrumados em oficinas, aviões não precisariam passar por um monitoramento tão rigoroso de trincas.  Pensando em tudo isso, pesquisadores do mundo todo começaram estudos sobre materiais autorreparáveis a partir dos anos 2000. Até então, esta interessante característica foi conseguida principalmente por 4 diferentes mecanismos:  adição de agentes reparadores; criação de rede vascular interna, similar a nosso sistema circulatório; memória de forma e fornecimento de energia a termoplásticos.

O primeiro mecanismo – adição de agentes reparadores –  é utilizado principalmente em polímeros termofixos e compósitos de matriz polimérica. O método consiste em dispersar ao longo da matriz polimérica catalisador na forma de pó e pequenas cápsulas contendo um monômero líquido. Quando há a formação de trincas, não somente o material polimérico é danificado, mas também algumas das cápsulas, o que fará com que o monômero seja liberado e mova-se por capilaridade até ocupar toda a região da trinca. Assim, quando este encontra o catalisador sólido, inicia-se uma reação de polimerização que preencherá completamente a região danificada. Os materiais que contém agentes reparadores dispersos em cápsulas apresentam ótimos níveis de eficiência em autorreparação, sejam eles submetidos a um carregamento estático ou dinâmico.  O maior problema deste método é que as cápsulas devem ser muito pequenas para que não fragilizem o polímero, pois atuam como pequenos defeitos na microestrutura. Isto limita o tamanho das trincas que podem ser preenchidas, pois uma quantidade menor de monômero consegue ser encapsulada. Além disso, o material só pode ser reparado uma única vez em determinada região, pois quando a segunda trinca iniciar, não haverá mais cápsulas a serem rompidas para preenchê-la.

Encapsulamento

Autorreparo por adição de agentes reparadores. Fonte (em inglês): MURPHY e WUDL, 2010.

Uma segunda maneira de produzir materiais autorreparáveis é bastante inspirada na forma com que nosso próprio organismo se cura: levando o agente reparador até a região que precisa ser reparada por meio de um sistema vascular. Esta técnica também é comumente utilizada para termofixos e compósitos de matriz polimérica, e o preenchimento das trincas, assim como no método anterior, é realizado por polimerização. Assim, são necessários dois sistemas vasculares, um contendo uma resina líquida e o outro, um endurecedor líquido. Estas substâncias, ao entrarem em contato, desencadearão uma reação de polimerização que reparará a região danificada. Este método é bastante limitado se funcionar apenas por capilaridade, pois só serão reparadas efetivamente regiões que se encontrem a distâncias menores do que a dimensão do diâmetro do tubo. Assim, surgiu outra ideia baseada em nosso organismo: pressurizar o sistema vascular através do bombeamento das substâncias, melhorando a eficiência deste método de reparo. Em comparação com o método de encapsulamento de agentes reparadores, a formação de canais vasculares consegue fechar trincas 10x maiores. No entanto, o reparo é mais devagar, pois os agentes reparadores precisam percorrer maiores distâncias até que cheguem à região danificada. Assim, se a trinca propagar-se mais rápido do que estiver sendo reparada, o método não conseguirá pará-la.

Outro método para um material autorreparar-se é estimulando-o a retornar a sua forma inicial, se este possuir memória de forma. A memória de forma é uma propriedade apresentada por determinadas ligas metálicas, como ouro-cádmio, nitinol ou cobre-zinco, que permite com que sejam deformadas plasticamente e quando aquecidas voltem instantaneamente a sua forma original. (O mecanismo de memória de forma foi explicado anteriormente neste post).  Até agora consideramos como falha de materiais a formação e propagação de trincas. No entanto, se uma região de um componente sofrer uma deformação plástica indesejada, isto também é caracterizado como falha. Neste caso, podemos repará-la através do envio de calor àquela região, realizado através de um sistema bastante similar ao de vascularização que vimos no parágrafo anterior. Trata-se de uma rede de fibras ópticas, na qual ao invés de fluir resina ou endurecedor, há o transporte de luz de um laser até o ponto de falha, no qual há o rompimento local das fibras ópticas. Assim, a região recebe calor proveniente do laser e elimina a deformação plástica adquirida, revertendo o dano. Além de tudo isto, a fibra óptica ainda atua como agente de reforço, produzindo um compósito. Quem teve esta ideia brilhante? Um engenheiro de materiais, é claro. Seu nome é Henry Sodano.

Para polímeros termoplásticos, não é necessário a elaboração de estruturas tão complexas, apenas um pouco de calor. Esta classe de material pode ser moldada com a temperatura, então se pudermos fundir estes polímeros sob tensão, as cadeias podem se rearranjar e após o resfriamento, retomar a estrutura inicial do polímero.  Partindo deste princípio, alguns polímeros foram testados através do impacto de projéteis. Sim, literalmente atirou-se nos polímeros! A energia proveniente do choque foi tão grande, que permitiu uma grande elevação na temperatura e, em seguida, o fechamento do buraco deixado pelo projétil. A experiência é mostrada na figura abaixo.

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Autorreparo de termoplástico impactado por um projétil

Estes materiais são incríveis e podem revolucionar nossas vidas nos próximos anos. Nós, como engenheiros de materiais, devemos difundi-los e aprimorá-los ainda mais!

Referências:

Explain That Stuff;

B.J. Blaiszik; N.R. Sottos; S.R. White; Nanocapsules for self-healing materials. Composites Science and Technology vol. 68, p. 978–986, 2008.

R. Hamilton; N. R. Sottos; S. R. White; Pressurized vascular systems for self-healing materials. R. Soc. Interface Vol. 12, 2011. Disponível em: < ttp://rsif.royalsocietypublishing.org/content/royinterface/early/2011/09/21/rsif.2011.0508.full.pdf>

E. B. Murphy; F. Wudl; The world of smart healable materials.  Progress in Polymer Science vol. 35, p. 223–251, 2010.

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