Uma nova forma de encarar a metalurgia

A maior parte dos materiais metálicos é produzida por meio de fundição, na qual há o fornecimento de uma grande quantidade de energia e posterior derretimento do minério que irá dar origem ao metal em questão. Até que elevados graus de pureza sejam atingidos, o material deve passar por mais e mais processos que irão elevando significativamente seu preço final. Além disso, durante o processo há a eliminação para o ambiente de diversos gases que contribuem para o efeito estufa. E se houvesse um processo que dispensasse os gastos energéticos elevados de uma fundição, não produzisse gases de efeito estufa e em uma única etapa transformasse a matéria-prima mineral em metal de elevada pureza?

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Reciclagem de isopor: mito ou verdade?

O popular isopor é o nome comercial de dois tipos de polímeros, o EPS (poliestireno expandido) e o XPS (poliestireno extrudado), os quais estão muito presentes em nosso dia a dia. O EPS é comumente utilizado como embalagens protetoras de equipamentos, isolante acústico e em brinquedos, por exemplo no preenchimento de ursos de pelúcia. Já o XPS, uma espuma mais rígida, é mais utilizado na indústria alimentícia, especialmente para a fabricação de bandejas e copos. Apesar do contato diário com este material, apenas 7% dos brasileiros sabem que o isopor é 100% reciclável, mostram os dados da empresa paulista Meiwa. Isso faz com que a maior parte das aproximadamente 60 mil toneladas anuais que são produzidas no Brasil seja enviada aos aterros sanitários. Imagine o quão leve é um isopor e tente mensurar o volume que todo esse material irá ocupar nos aterros! Uma dica? Aproximadamente 25% do volume total desses locais!

Se o material causa tamanho impacto ambiental e é reciclável, por que então sua reciclagem ainda não é consolidada?

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Conheça os cimentos emissores de luz

Vivenciamos atualmente uma procura crescente por economia de recursos, de energia, por sustentabilidade em geral, de forma que muitas são as pesquisas, nas mais diversas áreas, que possuem algum desses objetivos. Já vimos por aqui como funciona a reciclagem de vidros, alguns exemplos de inovações ecológicas na indústria têxtil, como por exemplo a elaboração de roupas a partir de PET reciclado ou plantas. Abordamos a substituição de polímeros derivados de petróleo por polímeros que derivem de cogumelos ou vegetais em geral, assim como o desenvolvimento de materiais com maior resistência específica, isto é, maior resistência mecânica para uma mesma massa de material, permitindo diminuir a quantidade de matéria prima necessária para desenvolver produtos e economizando na hora de transportá-los, devido à menor massa. Exemplos desses materiais são os aços com efeito TRIP, as ligas de titânio e  as ligas leves.  A indústria de construção civil, uma das que mais cresce em todo o mundo, vem seguindo a mesma tendência e desenvolvendo produtos como concretos sustentáveis e ecocimentos, os quais conseguem diminuir gasto energético, a emissão de CO2, utilizam matérias-primas mais ecológicas, como bactérias ou resíduos, etc. É nessa mesma área que os cimentos emissores de luz, ideia de que falaremos hoje, se enquadram.

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A madeira transparente

Pense rapidamente em 5 locais ou estruturas onde a madeira pode ser utilizada.

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Pensou?

Algumas ideias comuns são usar madeira para construir uma casa, fazer uma escultura, um estilingue, escadas, brinquedos, lápis ou diversas outras coisas.. Mas fazer células fotovoltaicas, janelas ou qualquer outra coisa transparente? Isso provavelmente é algo inimaginável para você, assim como era pra mim antes desse post.

No entanto, uma descoberta de cientistas suecos do KTH Royal Institute of Technology foi capaz de revolucionar a madeira como conhecemos – e também suas aplicações. Trata-se de um processo para obter madeiras transparentes, como a da fotografia abaixo.

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Madeira transparente. Créditos: KTH Royal Institute of Technology.

Para obter a transparência, é necessário primeiramente remover quimicamente a lignina das paredes celulares da madeira, um polímero estrutural que bloqueia cerca de 80 a 95% da passagem de luz. Com isso, obtém-se uma madeira branca, porém ainda não transparente. Isso ocorre porque ainda há uma grande dispersão de luz quando esta passa pelo material, problema que precisa ser resolvido em uma segunda etapa. Para diminuir a dispersão, todos os poros são impregnados com poli(metilacrilato de metila), um polímero transparente e com excelentes propriedades óticas, também conhecido como acrílico. Através dessa etapa, é possível combinar as propriedades óticas de ambos os materiais e fazer com que a luz transite através material de uma forma mais direta, sem tantos obstáculos, obtendo assim transparência. As grandes vantagens em utilizar o material desenvolvido no lugar de outros materiais transparentes é o fato de as boas propriedades mecânicas, baixa densidade e baixa condutividade térmica da madeira serem mantidas e de parte do material ser oriundo de recursos renováveis, além do baixo custo de obtenção. Ainda que a imagem observada através do material obtido não seja tão nítida e bela quanto aquela observada através de um vidro, a pequena nebulosidade observada faz com que o material tenha um grande potencial para a aplicação em células fotovoltaicas: o fato de o material prender um pouco da luz que passa através de si pode ser usado para aumentar a eficiência dessas fontes de energia elétrica. Além disso, o baixo custo do material poderia ajudar a baratear essa tecnologia e popularizar a energia solar, que hoje não é tão difundida como poderia devido a seu elevado custo.

Outras aplicações para o material desenvolvido poderiam ser janelas, em substituição ao vidro, decorações diversas ou mesmo fachadas semitransparentes, que permitiriam a entrada de luz mas manteriam certa privacidade.

Os próximos passos dos cientistas quanto a esse material são testar a técnica em outros tipos de madeira e continuar trabalhando para aumentar a transparência e aprimorar o processamento do material.

Fontes:

Wood windows? Swedes develop transparent wood material for buildings and solar cells – Phys. Org;

Swedish Scientists Develop Optically Transparent ‘Wood’ – Sci-News;

Yuanyuan Li et al. Optically Transparent Wood from a Nanoporous Cellulosic Template: Combining Functional and Structural Performance. Biomacromolecules, published online March 4, 2016.

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?

Fibras “al dente” revolucionam o mundo das fibras de elevado desempenho

É importante que materiais de elevada responsabilidade, tais como coletes à prova de balas, fios cirúrgicos ou cordas para escalada sejam bastante resistentes mecanicamente, uma vez que podem colocar muitas vidas em risco se não apresentarem o desempenho necessário. Por essa razão, esses componentes são comumente feitos a partir de fibras poliméricas de alta performance, as quais possuem elevado módulo de elasticidade e limite de resistência, provenientes de alongamento e orientação das cadeias poliméricas na direção do comprimento da fibra.

Uma das principais maneiras de obter essas fibras é por meio de gel spinning, processo parecido com o air gap wet spinning utilizado para obtenção das fibras de Kevlar para coletes à prova de balas, que já mostramos em outra publicação. O processo de gel spinning trabalha com o polímero no estado de gel, obtido pela solubilização de uma pequena concentração deste material em solvente, o qual geralmente é inflamável. O solvente, após o processamento do polímero, deve ser recuperado e purificado. Este tratamento, bem como o próprio solvente utilizado, normalmente são extremamente danosos à saúde e ao meio ambiente. Considerando que para cada 10kg de fibra são utilizados 90kg de solvente, observa-se que o processo de gel spinning é bastante impactante, considerando sua grande demanda de solvente. Ainda assim, apesar de não parecer atrativo econômica e ambientalmente, o processo permite que fibras de elevado desempenho sejam desenvolvidas em escala comercial, uma vez que destaca-se entre os demais processos de spinning no que diz respeito à obtenção de fibras com propriedades especiais.

Assim, tendo em vista os inúmeros benefícios e contra-indicações do processo de gel spinning para obtenção de fibras de elevado desempenho, pesquisadores do departamento de materiais da universidade suíça ETH Zürich propuseram a utilização de novos solventes que tornassem o processo mais correto ambientalmente e não danoso à saúde dos operadores. Para isso, os cientistas utilizaram gorduras naturais provenientes de frutas e sementes para a obtenção de fibras de polietileno de ultra alto peso molecular, como por exemplo azeite de oliva e óleo de amendoim. Devido à conexão existente destes óleos com a culinária, as fibras foram denominadas fibras al dente.

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Fibras al dente produzidas a partir de mistura com azeite de oliva por 10 minutos a 230°C, seguida de extrusão e resfriamento ao ar. Fonte: Schaller et al (2015)

Com o uso destes óleos naturais, foi possível aumentar a concentração de polímero presente na mistura a ser processada, o que diminui os custos associados com a recuperação do solvente. No caso dos solventes inflamáveis isto não era possível, pois uma concentração elevada de polímero levava a uma diminuição das propriedades mecânicas, o que não é aceitável considerando a função de elevada responsabilidade que desempenharão os componentes produzidos a partir destas fibras de elevado desempenho. Há também, obviamente, uma vantagem do ponto de vista ambiental e de bem-estar social associada ao uso de uma substância mais natural, não agressiva e não inflamável. Não bastassem todos estes benefícios, as fibras al dente ainda apresentaram um melhor desempenho, sendo 2x mais fortes do que as fibras obtidas pelo processamento com solvente inflamável e sua produção, 250% mais eficiente do que o processamento convencional.

Um agradecimento especial à leitora Sara Tatiana Roldan Velásquez, que sugeriu o tema desta publicação, nos mostrando que assim como a culinária, a engenharia é uma arte!

Referências:

SCHALLER, R. et al. High-Performance Polyethylene Fibers “Al Dente”: Improved Gel-Spinning of Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene Using Vegetable Oils. Macromolecules, 2015.

‘Al dente’ fibers could make bulletproof vests stronger and ‘greener’ – American Chemical Society.

Como é feita e qual a importância da reciclagem do vidro

Se olharmos quanto tempo um vidro demora para se decompor em comparação com um plástico, vemos que sua vida é estimada pelo dobro de tempo da do polímero, mas então por que é muito mais sustentável utilizar vidros?

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Fonte imagem: Anavidro

Pelo simples fato dos vidros serem 100% recicláveis! Os polímeros não são totalmente recicláveis, além disso para recicla-los não podemos misturar dois tipos diferentes e também é muito difícil de identificar rapidamente qual o tipo que foi utilizado. Já garrafas de vidro com cores diferentes por exemplo podem passar pelo processo juntas sem nenhum problema químico, mas com a mistura de cores a cor resultante do vidro não possui grande valor agregado. Vidros com diferentes colocações misturados não causam um grande problema porque sua composição química é muito semelhante, o que muda nas composições é a porcentagem em massa ou ausência de alguns óxidos, os quais chamamos de cromóforos. À medida que temos um aumento da porcentagem de óxido de ferro, o vidro passará do transparente para o marrom, por exemplo. Vale lembrar também que vidros de espelhos, de lâmpadas, de carros ou do tipo pirex não podem ser misturados com os vidros de embalagens, que geralmente são do tipo sódio-cálcico.

A maior parte dos resíduos vítreos produzidos na Europa já são reciclados, mas infelizmente essa ainda não é a realidade do Brasil! Aqui menos de 50% são reciclados e 7 toneladas de vidro são descartados todos os meses em São Paulo, ou seja, quilos e mais quilos de matéria-prima para novos produtos são simplesmente jogados no lixo todos os dias. Ainda, a reciclagem de 1 tonelada evita que 1300 Kg de areia sejam extraídas.  É um desperdício e tanto, né? Sem contar que a extração de areia causa muitos problemas ambientais, como por exemplo a rápida degradação dos rios.

Uma das principais vantagens do reprocessamento do vidro, além da questão ambiental, é que esse processo economiza grande quantidade de energia. Para produzir 1 kg de vidro novo são necessários 4500 kJ, enquanto que para produzir 1 kg de vidro reciclado necessita-se de 500 kJ!

Além disso o processo de reciclagem é muito simples: Quando o material chega na empresa ele passa por um processo de lavagem, para retirar os resíduos. Logo em seguida o vidro passa por um processo de trituração e então é refundido. As temperaturas ideais para a fabricação de um vidro novo ficam por volta de 1500 a 1600°C, já a refusão do material pode ser realizada por volta dos 1000°C, como comentado anteriormente irá reduzir muito os gastos com energia. Com isso, os vidros novamente são transformados em produtos, como embalagens e espumas vítreas, sem nenhuma diferença de desempenho em relação ao vidro produzido pela primeira vez.

Se a logistica de recolhimento de resíduos fosse melhor no nosso país e a população como um todo fosse conscientizada, com certeza a porcentagem de materiais reciclados no Brasil, não só vidro, seria muito maior. Outro fator é que os empresários do ramo de reciclagem preferem reciclar alumínio, que é um material com valor agregado bem maior, então gerará lucros bem maiores!

Referência utilizada

Bioplásticos

Na era atual, em que se recorre cada vez mais a matérias-primas de fonte renovável, uma classe de polímeros torna-se bastante promissora: Os bioplásticos. Diversos fatores tornam estes materiais especiais, seja por demandarem bem menos energia na sua produção, serem recicláveis, absorverem gás carbônico ou ainda, em sua maioria, serem biodegradáveis e compostáveis.  A absorção de gás carbônico por meio destes polímeros está relacionada à fotossíntese dos produtos agrícolas usados em suas composições, que podem ser cana-de-açúcar, batata, mandioca, babaçu, milho, etc. Isto permite a absorção de 2 a 2,5 kg de CO2 para cada quilo de polímero produzido, enquanto o plástico convencional produz cerca de 6kg de CO2 por quilo. Agora que já sabemos sobre suas vantagens, vamos conhecer um pouco mais sobre os bioplásticos.

Um dos grandes nomes no ramo de bioplásticos no Brasil é o engenheiro de materiais João Carlos de Godoy Moreira, o qual, junto com pesquisadores da USP – São Carlos, contribuiu bastante para o conhecimento sobre biopolímeros à base de amido.  Vejam que o amido por si só já é um polímero natural, como mostra a Figura:

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Estrutura do amido.

Assim, se submetido a alterações de pressão e temperatura, o amido tradicional pode ser transformado em amido termoplástico, que é vendido na forma de pellets, como estes que vemos abaixo:

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Pellets de termoplásticos de amido. De cima para baixo: cana-de-açúcar, milho, batata e mandioca. Fonte: Biomater

Já é possível encontrar no mercado produtos feitos a partir de biopolímeros, tais como bandejas e copos descartáveis de fécula de mandioca, um substituinte para o isopor feito a partir de cogumelo (que mencionamos nesta publicação) ou saquinhos de polietileno verde, feitos de etanol de cana-de-açúcar, que muitos de vocês já devem ter visto no supermercado na hora de embalar frutas e legumes.  O polietileno verde mantém as mesmas propriedades do polietileno tradicional e ambos podem ser reciclados dentro da mesma cadeia de reciclagem. No entanto, o fato de ser proveniente de fonte renovável, não faz do PE verde biodegradável. Apenas 70% dos bioplásticos são de fato biodegradáveis, levando em média 180 dias para efetuar a completa decomposição.

Verifiquem na hora de escolher os produtos que irão consumir: Os bioplásticos são mais benéficos ao planeta do que os plásticos convencionais, mas são ainda melhores quando são compostáveis. Isto porque os polímeros compostáveis não somente são biodegradáveis como também liberam muitos nutrientes benéficos ao solo, gerando um grande círculo virtuoso. Em outras palavras, o plástico é produzido, consumido e coletado, em seguida retorna ao solo, fertiliza-o e dá-se origem a novas plantações de matéria-prima para bioplásticos, que por sua vez transformam-se em mais deste material e o ciclo é reiniciado. Assim, esta categoria de bioplásticos além de apresentar todas as vantagens já mencionadas, ainda auxilia no combate à deposição excessiva de plástico em nossos aterros sanitários.

Para finalizar, observem que infelizmente produtos como o polietileno verde, os copos e bandejas de fécula de mandioca ou mesmo os pellets de termoplásticos de amido ainda não dominam o mercado, apesar de vantajosos em muitos aspectos.

Por que isto acontece?

Ainda há algumas limitações quanto à produção de bioplásticos, por exemplo a necessidade de mais pesquisa para o aprimoramento desta classe de materiais e os preços mais elevados em relação aos polímeros provenientes de matéria-prima fóssil convencional.

Assim, cabe a nós, consumidores conscientes, refletirmos mais sobre os produtos que levamos para nossas casas e verificarmos que nem sempre o menor preço compensa. Consumidores conscientes geram indústrias conscientes!

Fontes:

Termoplásticos de Amido – Planeta Sustentável;

Polietileno Verde – Braskem;

Copos de Mandioca – Planeta Sustentável;

Copos de Mandioca – G1.

Produção de concretos sustentáveis

O concreto é o segundo produto mais consumido no mundo, perdendo apenas para a água potável.  Surpreendente, não?  Cerca de 250 kg de cimento Portland, uma das matérias primas usualmente utilizadas para a fabricação de concreto, é produzida anualmente por habitante, o que totaliza uma produção de aproximadamente 1,75 10^12 kg!! Considerando que para cada tonelada de cimento Portland produzida, outra tonelada de dióxido de carbono (CO2) emerge para a atmosfera, observa-se o quão impactante este material é para o meio ambiente. Análises mostram que cerca de 7% das emissões artificiais totais de dióxido de carbono no mundo são provenientes da produção de cimento Portland e cerca de metade destas emissões resultam da etapa de descarbonetação do calcário. Com o crescimento populacional, a indústria de construção civil mantém um elevado ritmo de crescimento, fazendo com que o uso de concretos mais sustentáveis seja uma necessidade cada vez maior.

Pensando nestes aspectos, cientistas norte-americanos desenvolveram um concreto que reduz em menos da metade as emissões de CO2, além de apresentar tenacidade e durabilidade superiores ao concreto tradicional.  A estrutura de concretos é composta por agregados e agente ligante. A fase ligante, silicato de cálcio hidratado (C-S-H), é produzida a partir da hidratação do cimento Portland e apresenta grande influência sobre as propriedades físicas e mecânicas dos materiais cimentícios. Assim, para aprimorar estas propriedades, os cientistas analisaram a estrutura da fase C-S-H em nível molecular e modificaram a proporção de cálcio/sílica, que de acordo com os padrões industriais deve ser de aproximadamente 1,7.

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Estruturas moleculares de fases C-S-H com proporções cálcio/sílica de 1,1; 1,5 e 1,8.

Além de avaliados estruturalmente, corpos de prova de cada proporção também foram submetidos a ensaios mecânicos. A análise dos dados adquiridos mostra que uma redução da proporção de cálcio/sílica para 1,5 produz um concreto mais tenaz, cerca de duas vezes mais resistente à fratura. Além disso, são reduzidas intensamente as emissões de CO2, visto que com a redução do teor de cálcio é necessária uma menor quantidade de calcário descarbonetado.

Há ainda outras maneiras de reduzir as emissões de dióxido de carbono. Uma delas, proposta por pesquisadores brasileiros da USP, consiste em aumentar a proporção de carga na fórmula do cimento Portland. A carga é uma matéria-prima à base de pó de calcário que tem função de preenchimento, mas não necessita da etapa de descarbonetação, reduzindo significativamente a emissão de CO2. Modelos matemáticos propunham que grandes quantidades de carga poderiam comprometer a qualidade final do concreto, restringindo-as industrialmente a um teor máximo de 30%. No entanto, os brasileiros provaram que isto não é verdade e conseguiram chegar a teores de carga de até 70% em laboratório sem perda de qualidade. Para isso, as partículas foram organizadas por tamanho, garantindo a maleabilidade do cimento.

Considerando a relevância da sustentabilidade de concretos para minimizar a crise ambiental que vivenciamos, este pode ser um grande nicho de mercado para engenheiros de materiais. Há diversas formas de tentar amenizar os impactos ambientais, e, pensando nisso, apresentaremos a vocês na próxima semana os ecocimentos, não percam!

Referências:

QOMI, M.J.A. et al. Combinatorial molecular optimization of cement Hydrates. Nature Communications. Vol.: 5, Article number: 4960 DOI: 10.1038/ncomms5960, 2014;

Inovação Tecnológica.