Materiais compósitos ecológicos: há espaço na indústria para materiais mais 'verdes'?

Os materiais sintéticos nasceram da necessidade de conceber produtos com melhores propriedades do que os materiais ditos ‘naturais’ possuem. As propriedades sinérgicas obtidas quando se combinam fibras, matrizes e outros materiais, fazem com que os produtos compósitos consigam possuir diversas funcionalidades em simultâneo, e assim, serem utilizados numa vasta gama de setores^{1, 2, 3}. Atualmente, é comum a utilização de materiais compósitos no setor automóvel, aeronáutico e espaço, mas também no desporto e em aplicações industriais.

Porém, o advento de novas preocupações ambientais na sociedade, alterações legislativas, e o reforço do ‘marketing verde’ observado na última década, levou a indústria a refletir o paradigma da sustentabilidade. Uma consciencialização que levou ao aumentando do interesse na utilização de materiais compósitos com fibras naturais (ao invés das sintéticas), e resinas recicláveis ou de origem natural, como forma de desenvolver compósitos económicos, sustentáveis, leves e flexíveis.

Nos últimos anos, também o INEGI – Instituto de Ciência e Inovação em Engenharia Mecânica e Engenharia Industrial tem estado atento à necessidade de reduzir a pegada ecológica dos diferentes sectores, tendo colaborado com várias empresas no desenvolvimento de soluções sustentáveis com recurso a materiais compósitos de fibras, e resinas naturais e/ou recicláveis.

Em geral, dependendo dos constituintes da natureza, os compósitos compostos por estes materiais podem ser classificados como parcialmente ecológicos (quando um dos seus constituintes é proveniente de recursos não renováveis) ou verdes (quando todos os seus constituintes são obtidos através de recursos renováveis)^{1, 4}.

Assim, observa-se um maior interessa na substituição de fibras de carbono, vidro ou aramida por fibras de origem natural, como o linho ou cânhamo, numa substituição que pode ser total ou parcial.

Como dotar estes materiais de características renováveis e biodegradáveis? Em resposta a esta questão, as fibras naturais surgem como uma solução possível. A sua viabilidade funcional e económica, porém, ainda não está ao nível ideal.

Estas fibras são principalmente de origem vegetal (essencialmente compostas por celulose) ou animal (à base de proteínas). As fibras vegetais são as mais comumente utilizadas em compósitos, podendo ser obtidas através dos caules, folhas ou sementes de várias plantas. As estruturas celulares destas fibras são complexas, pois cada uma possui um conjunto de microfibras de celulose rígidas incorporadas numa matriz de lignina e hemicelulose. Para ocorrer uma falha mecânica, é necessária uma energia suficiente elevada para desenrolar todas as microfibras, e então causar uma rotura.

A indústria tem mostrado interesse em aplicação com fibras de juta, linho, cânhamo e rami, devido às suas propriedades mecânicas ^{2, 5, 6}. No entanto, as fibras naturais podem ter composições distintas de lote para lote, sendo esta a principal desvantagem deste material de reforço.

Outros potenciais inconvenientes passam pela elevada absorção de água, baixa impregnabilidade e eventual incompatibilidade com a matriz. De facto, é prática comum as fibras sofrerem um tratamento prévio para a sua compatibilização com a matriz do compósito, mas naturalmente estes materiais e processos estão estabelecidos para as matrizes comummente usadas tais como epóxido, poliéster, vinil éster, entre outras. Estes fatores normalmente limitam a produção em larga escala de compósitos com fibras naturais ^{1, 2}.

Relativamente às matrizes de origem biológica, estas também podem ser de origem vegetal ou animal. As mais comumente usadas nos compósitos são o poli (ácido láctico) (PLA), polihidroxibutirato (PHB), polissacarídeos, celulose, alginato, quitina e hialuronato ^{2, 3, 4}.

Contudo, devido à sua natureza de decomposição, a utilização em superfícies de acabamento é bastante problemática, especialmente em aplicações com uma longa vida útil e que não possuam tratamentos ou revestimento adicionais. Outra desvantagem destas matrizes é o seu elevado custo (por exemplo, o polímero de origem biológica PLA é 1,5 vezes mais caro do que uma resina sintética de polipropileno), o que as torna pouco acessíveis para a indústria, mesmo para produções em grande escala. Entre outras desvantagens destas resinas conta-se a sua fragilidade, comportamento térmico, elevada permeabilidade, baixa viscosidade de fusão para posterior processamento, entre outras ^{2, 3, 4}.

Mas nem tudo é prejuízo.

A natureza concedeu-nos uma abundância de recursos sustentáveis e renováveis. As fibras e as resinas naturais são uma opção atrativa para as indústrias atenderem aos desafios socioeconómicos e ambientais, ainda que, para já, apenas em peças de pouca solicitação mecânica. Atualmente, a utilização destes compósitos já é realidade, especialmente para elementos não estruturais, em diversos sectores, nomeadamente nos transportes, saúde, desporto, construção e design ^{1, 2, 6}.

Neste âmbito, salienta-se o trabalho do INEGI nos projetos NEXMENT e NOPROMAT, onde o desafio consistiu em criar soluções eco-eficientes para o sector da construção. Durante o projeto NEXMENT foram criados conceitos de casas modulares de carácter provisório com aplicação de materiais reciclados, sendo uma das soluções propostas constituída por matrizes termoplásticas com núcleos de aglomerados de cortiça expandida. Já o projeto NOPROMAT teve como foco o desenvolvimento de produtos para a indústria das cerâmicas sanitários, nomeadamente a criação de processos produtivos para lavatórios e torneiras com recurso a novos materiais 'naturais', tais como resíduos de pedra natural, fibra de coco, entre outros.

Ainda assim, também setores tipicamente mais exigentes têm investido na procura de respostas a este desafio. No sector aeronáutico, pode destacar-se, por exemplo, os projetos LIFE e ECO-COMPASS, que contaram com a participação dos especialistas do INEGI.

No âmbito do projeto LIFE, as soluções desenvolvidas para o interior dos aviões foram orientadas para a utilização de materiais naturais, leves e confortáveis, nomeadamente cortiça e couro natural. Também o projeto ECO-COMPASS, que consistiu numa colaboração entre a China e a Europa, contemplou o desenvolvimento de compósitos multifuncionais ecológicos, com fibras de linho e bio resinas para a aplicação em estruturas secundárias e interiores de aviões.

Entre os benefícios da aposta em compósitos ecológicos, é de salientar que o uso destes materiais tem potencial para criar novas oportunidades de emprego nas regiões rurais e menos desenvolvidas, ajudando assim a alcançar os objetivos de desenvolvimento sustentável. A inclusão de fibras e resinas de origem natural noutros sectores, além dos convencionais, poderá potenciar e incentivar o mercado relativamente às mesmas, podendo contribuir para revitalizar o setor agrícola e têxtil de forma sustentada ^{2, 7}.

Alargar a produção e utilização de compósitos técnicos estruturais com fibras e matrizes de origem natural exige, porém, uma adaptação da legislação atualmente aplicável a compósitos sintéticos, bem como padronizar a forma como caracterizamos as suas propriedades para a elaboração de fichas técnicas mais adequadas. Esta caracterização potência a criação de metodologias para simulações destes materiais, aumentando a confiança, desde os projetistas até aos consumidores aquando da utilização destes materiais.

Para tal, a comunidade científica tem um papel crucial no que diz respeito à divulgação de estudos sobre a combinação otimizada das fibras e matrizes de base natural para a produção de compósitos à escala industrial ^{2, 7}.

Também poderá haver a necessidade de alteração dos processos atualmente usados, o que se traduzirá em custos de investimento para as indústrias, mas que poderão ser facilmente ultrapassados, caso a utilização destes materiais se revele benéfica em alguns setores de aplicação.

[1] Sousa, S.P.B., Ribeiro, M.C.S., López, M.M., Barrera, G.M., Ferreira, A.J.M. (2014). Mechanical behaviour analysis of polyester polymer mortars reinforced with luffa fibres. In: CLB-MCS 2014 – Congresso Luso-Brasileiro de Materiais de Construção Sustentáveis, 5-7 março 2014, Guimarães, Portugal, Vol. 2, 331-338.

[2] Peças, P., Carvalho, H., Salman, H., & Leite, M. (2018). Natural fibre composites and their applications: a review. Journal of Composites Science, 2(4), 66.

[3] Mann, G. S., Singh, L. P., Kumar, P., & Singh, S. (2020). Green composites: A review of processing technologies and recent applications. Journal of Thermoplastic Composite Materials, 33(8), 1145-1171.

[4] Peças, P., Carvalho, H., Salman, H., & Leite, M. (2018). Natural fibre composites and their applications: a review. Journal of Composites Science, 2(4), 66.

[5] Koronis, G., Silva, A., & Fontul, M. (2013). Green composites: A review of adequate materials for automotive applications. Composites Part B: Engineering, 44(1), 120-127.

[6] Dicker, M. P., Duckworth, P. F., Baker, A. B., Francois, G., Hazzard, M. K., & Weaver, P. M. (2014). Green composites: A review of material attributes and complementary applications. Composites part A: applied science and manufacturing, 56, 280-289.

[7] Muthu, S. S. (Ed.). (2018). Green Composites: Sustainable Raw Materials. Springer.