Novo material que se repara sozinho

“A preguiça move o mundo”: Essa frase clichê faz muito sentido na engenharia de materiais também. Imagine se simplesmente não precisássemos mais reparar nada? Pouparia muito do nosso tempo, não é mesmo? Por isso materiais autorreparáveis já são estudados há algum tempo, porém recentemente foi desenvolvido um novo material que promete melhores propriedades mecânicas!

O material chamado de SAC (compósito auto-adaptável, na tradução literal) foi desenvolvido na Rice University que fica no estado do Texas nos Estados Unidos, e é feito pela mistura de dois polímeros com um solvente que evapora quando aquecido, criando então uma massa porosa com pequenas esferas. Assim como uma esponja, esse material consegue voltar a sua forma original quando é aplicada uma pressão.

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Material autorreparável

Isso é possível porque nesses materiais existem pequenas esferas de fluoreto de polivinilideno (PVDF) que encapsulam a maior parte do líquido presente no compósito. Já o polímero viscoso dimetilpolisiloxano (PDMS) reveste a superfície inteira. Essas esferas são extremamente resilientes, ou seja, possuem grande capacidade de voltar a sua forma original após sofrerem deformação elástica.

O líquido interno faz com que aumente sua viscoelasticidade (capacidade de absorver energia e regressar ao estado inicial), enquanto o revestimento serve para manter todas as esferas unidas. Assim as esferas possuem a liberdade de se movimentar conforme for aplicada uma força externa de compressão, unindo-se novamente.

Diferente desse método desenvolvido pelos pesquisadores da Rice, as pesquisas anteriores utilizavam como mecanismo de autorreparo catalisadores na forma de pó e pequenas cápsulas com monômero líquido, que seriam rompidas durante o processo. Para saber mais sobre esse processo você pode ler nosso outro post sobre materiais autorreparáveis.

Por mais que possua material em forma líquida, o compósito não possui a consistência gelatinosa e nem dá a impressão que contém qualquer líquido, mas sim é parecida com um cubinho de açúcar. Essa foi uma das principais preocupações do projeto, porque desejava-se um material robusto mecanicamente e não macio como os géis e ainda que pudesse alterar as frações líquidas e sólidas do material para se obter diferentes comportamentos mecânicos para diferentes aplicações.

E como esse material é fabricado?

O processamento começa com a mistura dos polímeros em forma de pó e de um líquido viscoso. Com a adição de um solvente e com aumento da temperatura controlada, o PDMS estabiliza-se e formam as esferas. Além disso, é possível produzi-lo em diferentes tamanhos, pois é limitado somente pelo tamanho do molde, sendo possível uma produção em escala.

No post abaixo dois pesquisadores falam um pouco mais sobre o material e mostram como o material funciona na prática.

 

Uma aplicação bem importante desses materiais é na confecção de asfaltos, que já vimos aqui!

Fonte:

Rice University

 

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Dois tipos de asfaltos autorreparáveis!

A maior parte do fluxo de pessoas e de cargas no Brasil se dá pelas vias rodoviárias, com isso nós temos problemas bem grandes com a manutenção dos asfaltos. Já surgiram várias ideias de como melhorar vias utilizando materiais recicláveis como pneus, que melhoraram a performance do asfalto em relação ao convencional. Entretanto, por mais que o material possua uma resistência à erosão maior, algum dia irá ocorrer o desgaste de qualquer forma. Por isso surgiram pesquisas que buscam um asfalto que se autorregenere e hoje iremos falar sobre dois asfaltos desse tipo.

Asfalto autorreparável quando submetido ao calor

Erik Schlangen criou um material bem poroso que possui várias outras propriedades interessantes além do autorreparo, por exemplo ele reduz a poluição sonora emitida e também absorve a água que ficaria acumulada na pista, que o torna muito mais seguro do que os convencionais. No asfalto poroso as pedras são ligadas entre si apenas por um fino ligante, o betume. Esta ligação torna-se mais fraca à medida que ocorre o desgaste da pista, o que aumenta as tensões no asfalto e faz com que surjam micro-trincas, que em seguida começam a quebrar parte das pedras. Assim, quando um automóvel passar pela via, estará mais suscetível a arrancar pedaços do asfalto poroso, visto que este foi fragilizado.

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Para resolver esse problema, Erik adicionou ao betume pequenos pedaços de palha de aço (sim, aquela que utilizamos para lavar a louça) que atuam como fibras no material e também tornam possível seu aquecimento a partir de indução. Assim, o aço é aquecido por efeito Joule e, em seguida, transfere calor ao betume, que fundirá e poderá fluir e tampar as pequenas micro-trincas. Então quando o material é resfriado, ele fica como novo!

A pesquisa ganhou uma rodovia para teste e então após a obra terminar foram coletadas várias amostras para fazer o envelhecimento artificial em laboratório, já que esperar a rodovia se desgastar por si só levaria muito tempo. Ao fazer isso e aquecer com a máquina de indução o material se recompôs e para complementar os estudos os cientistas fizeram isso várias vezes na mesma amostra e em todas as vezes eles tiveram um resultado positivo.

Mas não seria trabalhoso toda vez ter que aquecer o asfalto? Com essa pesquisa eles também descobriram que esse material só vai precisar do tratamento de 4 em 4 anos e como consequência irá economizar muito dinheiro e tempo com a manutenção!

No vídeo abaixo Schlangen fez uma demonstração numa palestra do TED utizando um microondas!

Micro-cápsulas de asfalto autorreparável

Nesse tipo de asfalto foram utilizados os polímeros SBS e o DMP como os agentes de reparação que são encapsulados e misturados com o ligante do asfalto, que no caso de cima é o betume. Então, quando aparece uma micro-trinca perto de uma dessas pequenas cápsulas, elas irão rompê-la e assim o material que estava no interior será misturado com o asfalto, fazendo com que ele se reconstitua.

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Esquema de como funciona o asfalto com micro-cápsulas

Os testes que foram realizados com esse material demonstraram primeiramente 85% de eficiência, já nos últimos ela foi de 95%!

Essas inovações poderiam fazer grandes diferenças no nosso cotidiano, não é mesmo?

Em outro post nós escrevemos sobre materiais autorreparáveis e os tipos de mecanismos existentes, você pode reler aqui!

Fonte:

Chung K.; Lee S.; Park M.; Yoo P.; Hong Y. Preparation and characterization of microcapsule-containing self-healing asphalt.  Journal of Industrial and Engineering Chemistry 29 (2015) 330–337.

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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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