Reinventando Compósitos: Materiais Sustentáveis para o Futuro

À medida que a tecnologia de compósitos se desenvolve, também deve nosso entendimento do que compósitos podem ser e o que podem oferecer.

Este blog originou-se de um comunicado de imprensa que recebi da IntegriCo Composites (Sarepta, Louisiana, EUA), que fabrica dormentes ferroviários compósitos e tapetes de construção. Ao olhar seu comunicado e site, ambos focados em reciclagem e transformação de resíduos plásticos em produtos finais sustentáveis de desempenho melhorado, percebi que era uma tecnologia 100% plástica. Então, respondi e disse: "sua definição de compósito não corresponde à nossa." Mas eu estava errado.

 

Como uma mistura se torna um compósito

Qual é a definição de compósito?

Expliquei que, embora a IntegriCo afirme que seus produtos são compósitos com propriedades superiores, eles são, na verdade, uma liga — uma amálgama fundida de plásticos. Não há reforço de fibra e não mais de um material identificável no produto final.

Brian Arkwood, diretor técnico da IntegriCo, discordou, explicando que os produtos da IntegriCo são uma mistura de dois ou mais tipos de materiais que mantêm uma identidade única, projetados e engenheirados através de processamento para entregar características e desempenho superiores. "Permita-me esclarecer," ele disse.

Nosso processo usa uma mistura de PEAD (polietileno de alta densidade) e PEBD (polietileno de baixa densidade), bem como polipropileno e poliestireno. Isso é por design, pois cada um desses polímeros dissimilares contribui para as características gerais do produto final. Podemos manipular e/ou alterar as propriedades do produto final variando as proporções de cada plástico e/ou processamento da mistura geral. Os plásticos variados não são meramente fundidos juntos, no entanto.

Aqui é onde essa mistura se diferencia como um compósito:

"Os plásticos de maior peso molecular (PAM) que não fundem são dispersos através do polímero contínuo dos plásticos que são processados acima da temperatura de fusão. À medida que essa mistura esfria, os plásticos passam pelo processo de nucleação. A taxa e o processo de nucleação são controlados pela temperatura de processamento, taxa de resfriamento e a subsequente carga de um agente nucleante. Este agente é um químico desenvolvido pela IntegriCo e usado apenas em nosso processo."

"À medida que a nucleação ocorre, a cristalinidade geral da mistura plástica é manipulada e os polímeros PAM não-fundidos são emaranhados entre as cadeias de polímero que são ligadas covalentemente. Os polímeros também são manipulados via tensão de cisalhamento para reduzir a viscosidade durante a moldagem para promover melhor interação e emaranhamento de polímeros nucleados com os polímeros não-fundidos."

 

Nucleação, cristalinidade e controle da razão de aspecto

Para mim, os conceitos-chave aqui são nucleação (o processo inicial de formação de cristais), controle da cristalinidade (gerenciamento da formação de cristais) e manipulação do processo para alcançar uma interface melhor entre os polímeros nucleados emaranhados e os polímeros não-fundidos. O último é realmente crucial para compósitos, porque sem uma boa interface entre os diferentes materiais, não há transferência de carga eficaz e não há desempenho superior.

Lembre-se também que na área de alto crescimento de compósitos termoplásticos, os polímeros que oferecem maiores propriedades mecânicas, bem como maior resistência à temperatura e química, são semicristalinos. Essas propriedades semicristalinas são alcançadas e adaptadas gerenciando a cristalinidade, mais tipicamente via controle de temperatura durante o processamento.

Dormentes ferroviários compósitos da IntegriCo oferecem uma forma de reutilizar resíduos plásticos em um produto compósito de desempenho superior, onde plástico de alto ponto de fusão alongado reforça uma matriz de plástico de baixo ponto de fusão. FONTE | IntegriCo Composites

A descrição de Arkwood também me fez pensar em plásticos auto-reforçados (SRP), como Pure, Curv, Armordon, Tegris e o mais recente, o projeto BIO4SELF, que ganhou um Prêmio de Inovação JEC 2019. Tipicamente, compósitos SRP são feitos usando um polímero de baixo ponto de fusão (PE, PP ou biopolímero PLA) e reforçando-o com uma fibra de maior ponto de fusão feita do mesmo polímero. Esse uso de polímeros de alto e baixo ponto de fusão é exatamente o que a IntegriCo está fazendo. Então perguntei a Arkwood se os polímeros de maior peso molecular (PAM) não-fundidos que ele está usando estão realmente aparecendo/formando/comportando-se como fibras?

"Permite alguns dos mesmos benefícios das fibras," ele disse. "Mudamos as razões de aspecto dos polímeros PAM dentro da matriz polimérica para impulsionar as propriedades do produto. Aumentar ou diminuir os polímeros PAM, junto com mudanças em outros parâmetros operacionais, pode ter efeitos significativos em propriedades plásticas como módulo de elasticidade, módulo de ruptura e dureza."

Arkwood explica que a IntegriCo pode modificar proporções de polímeros e parâmetros operacionais para atender necessidades específicas de clientes. "Documentamos isso com dados de testes destrutivos e atendemos solicitações baseadas em propriedades de clientes incluindo Union Pacific e o Exército dos EUA. A proporção de polímeros — PAM para PBM e linear para não-linear ou altamente ramificado — desempenha um papel em nossos produtos muito como reforço de fibra em outros produtos compósitos plásticos, afetando as propriedades-chave de desempenho de resistência, rigidez, dureza e tenacidade."

 

Sustentabilidade

Primeiro ponto, a IntegriCo de fato fornece uma inspiração digna de nota pela indústria de compósitos, pois nosso planeta está sendo destruído por resíduos. Mais de 90% do plástico vira resíduo no mundo e mais de 34 milhões de toneladas métricas de plástico são enviadas a aterros ou incineradores anualmente apenas nos EUA e Canadá. A IntegriCo oferece uma solução real reciclando plásticos rígidos mistos e graus tipicamente não recicláveis 3-7, que a China parou de receber em 2018. Graus de plástico 3-7 são aqueles mais difíceis de reciclar conforme classificados pelo Sistema de Codificação de Identificação de Resina (RIC) da ASTM International que identifica os polímeros constituintes e reciclabilidade de todos os plásticos. Graus 1 (PETE, PET) e 2 (PEAD) são altamente recicláveis, e 5 (PP) está começando a ser reciclado, enquanto todos os outros graus incluindo 3 (PVC), 4 (PEBD), 6 (PS) e 7 (Outros) não são atualmente reciclados. Assim, a IntegriCo está fazendo a diferença, desviando resíduos de aterro e engenheirando-os em produtos compósitos de valor agregado que duram mais que alternativas, produzindo menos resíduos ao longo do tempo.

 

Nano-CMCs

Meu segundo ponto é que a tecnologia está avançando no que um compósito é. Acredito que isso já está impactando o avanço da ciência de materiais compósitos e quero inspirar desenvolvimentos adicionais. O que desencadeou essa percepção para mim foi o uso de nucleação por Arkwood. Imediatamente reconheci de minha pesquisa recente em nano compósitos de matriz cerâmica (nano-CMCs, veja meu artigo de julho de 2019 sobre nanoccompósitos).

Este é um trecho de um artigo de novembro de 2017, "Nanocompósitos de polímero e cerâmica para aplicações aeroespaciais":

 "Nanocompósitos são os materiais do século XXI tendo uma taxa de crescimento anual de 25% devido às suas capacidades multifuncionais. ... Devido à possibilidade de combinar propriedades desejadas, nanocompósitos estão expandindo seus potenciais em aplicações aeroespaciais e em futuras missões espaciais. ... Nanoenchimentos aumentam a capacidade de nucleação melhorando a interação interfacial com a matriz polimérica."

Não posso garantir a taxa de crescimento de 25%, mas é óbvio que nanocompósitos oferecem muito potencial. Este texto discutia nucleação de nanoenchimentos. O que foi novo para mim foi o desenvolvimento de nano-CMCs onde uma matriz cerâmica é realmente reforçada não com uma fibra ou enchimento, mas com outra cerâmica, onde a nucleação e cristalização desta última são controladas para produzir reforço de alta razão de aspecto.

Em minha matéria de julho de 2019 sobre nanoccompósitos, usei uma ilustração do artigo de Paola Palmero de 2015, "Nanocompósitos Cerâmicos Estruturais: Uma Revisão de Propriedades e Métodos de Síntese de Pós" para mostrar exemplos de compósitos em micro e nanoescala. A, B e C mostram uma matriz em microescala (micrônica) reforçada com nanopartículas, nanofibras ou nanoplacas, respectivamente, enquanto D tem tanto reforços nanométricos arredondados quanto de alta razão de aspecto. No entanto, E e F ilustram nanocompósitos bi-fásicos e multi-fásicos, respectivamente, onde as cerâmicas em nanoescala são imiscíveis.

Fig. 1 Estruturas comuns de compósitos micro/nano para materiais cerâmicos.
FONTE | "Nanocompósitos Cerâmicos Estruturais: Uma Revisão de Propriedades e Métodos de Síntese de Pós" por Paola Palmero.

 

Palmero descreve a cristalização in-situ de segundas fases na superfície de partículas da matriz — em outras palavras, a matriz é a primeira fase e outra cerâmica é a segunda fase — como um dos processos-chave envolvidos na manufatura de nanocompósitos cerâmicos. Após a cristalização, o tamanho e a forma dos cristais ou grãos cerâmicos são gerenciados, o que é crucial, pois estes determinam as propriedades em massa do compósito cerâmico. Por exemplo, grãos alongados são conhecidos por ter um efeito de endurecimento in-situ. Palmero nota que a capacidade de adaptar características nanoestruturais desejadas nesses compósitos sinterizados é vital mas desafiadora, mandando controle de processo rigoroso durante mistura, conformação, sinterização e densificação.

Uma ilustração e discussão similar é vista na Fig. 6 no livro da Intechopen.com, Características Físicas e Metalúrgicas de Compósitos de Matriz Cerâmica Reforçados com Fibra. Seção 9.1.2 discute a microestrutura de nanocompósitos de nitreto de silício (Si₃N₄)/carboneto de silício (SiC), feitos por sinterização (prensagem a quente). Sua microestrutura contém partículas grandes alongadas de β-Si₃N₄ (bigodes) que são cercadas por partículas mais finas de β-Si₃N₄ com formas de agulha. O micrografo eletrônico de varredura abaixo da Fig. 7b mostra esta estrutura com ampliação de 20.000x.

Estas seções transversais de nanocompósitos cerâmicos bi-fásicos (esquerda) e compósitos de plástico reciclado (direita) são na verdade bastante similares, embora difiram muito das seções transversais de compósitos reforçados com fibra contínua convencionais.

FONTE | Figura 7, Seção 9.1.2 de Características Físicas e Metalúrgicas de Compósitos de Matriz Cerâmica Reforçados com Fibra por Zdeněk Jonšta, Evelyn A. Bolaňos C., Monika Hrabalová e Petr Jonšta (esquerda) e seção transversal de dormente ferroviário compósito, IntegriCo Composites (direita).

 

Benefícios de compósitos bi- e multi-fásicos

Então por que isso é benéfico para a indústria de compósitos? Porque cientistas de materiais estão usando essa nova definição de compósitos para alcançar combinações únicas e adaptadas de propriedades mecânicas, térmicas, elétricas e ablativas. Por exemplo, o Laboratório de Pesquisa Naval (NRL, Washington, D.C., EUA) desenvolveu compósitos de nitreto de silício, nitreto de zircônio e diboreto de titânio, bem como métodos para reforçá-los com fibras tenazes. Essas cerâmicas refratárias exibem alta resistência, estabilidade térmica e condutividades elétricas e térmicas variáveis que permitem atender às demandas de componentes de veículos hipersônicos — algo que compósitos de polímero orgânico e até ligas metálicas avançadas não podem fazer.

O NRL também está desenvolvendo tecnologia de manufatura aditiva que incorporará nanoestruturas nesses materiais e ajustará ainda mais propriedades dielétricas, térmicas e de blindagem eletromagnética em uma resolução maior que a possível com materiais atualmente disponíveis. Mesmo que você não concorde necessariamente com as aplicações de defesa planejadas para esses materiais, eles também poderiam fornecer soluções valiosas para exploração espacial planejada e missões a Marte. Mas eles também podem abrir novas avenidas para compósitos totalmente biobased que oferecem não apenas alto desempenho aqui na Terra, mas também a capacidade de fazê-lo de forma sustentável e de modo que materiais e produtos finais possam ser fabricados e reciclados usando menos energia e recursos.

Não estou sugerindo que compósitos reforçados com fibra estão saindo do palco ou mesmo desaparecendo. Mas à medida que a tecnologia se desenvolve, também deve nosso entendimento do que compósitos podem ser e o que podem oferecer.