Bioplásticos para interiores automóveis aliam sustentabilidade e controlo de odores

O projeto alemão ‘SkaNaPA’ procura levar os biopolímeros reforçados com fibras naturais do laboratório para a produção em série de componentes automóveis. Coordenado pelo Fraunhofer Institute for Microstructure of Materials and Systems IMWS, o projeto reúne parceiros de investigação e indústria para desenvolver um material baseado em poliamidas de origem biológica e fibras naturais de celulose, capaz de substituir soluções convencionais que recorrem a plásticos de origem fóssil e fibras de vidro.

O objetivo é obter um composto para moldação por injeção destinado, numa primeira fase, a componentes estruturais do interior dos veículos, nomeadamente estruturas de bancos. A solução deverá combinar baixo peso, propriedades mecânicas adequadas a aplicações exigentes, menor impacto ambiental e capacidade de processamento em equipamentos industriais convencionais.

O projeto, que decorre até setembro de 2027, responde a um desafio que tem vindo a ganhar relevância na indústria automóvel: reduzir a utilização de matérias-primas fósseis sem comprometer desempenho, segurança, custos de produção ou qualidade do habitáculo.

Os plásticos reforçados com fibra de vidro são amplamente utilizados na indústria automóvel quando os componentes necessitam de maior rigidez, resistência mecânica e estabilidade térmica do que os polímeros não reforçados conseguem proporcionar. Encontram-se, por exemplo, em suportes do painel de instrumentos, caixas e componentes do compartimento do motor ou estruturas de bancos. Nestes materiais, as poliamidas de origem fóssil constituem frequentemente a matriz polimérica.

O ‘SkaNaPA’ propõe substituir estes dois elementos por alternativas de origem renovável. A matriz será constituída por poliamidas de base biológica, enquanto o reforço recorrerá a fibras naturais de celulose. Estas apresentam elevada rigidez e podem ter uma produção menos intensiva em carbono do que as fibras de vidro.

A dificuldade está em garantir que a redução do impacto ambiental não implica uma perda de desempenho. O novo composto terá de apresentar estabilidade mecânica suficiente para componentes sujeitos a requisitos de segurança, cumprir os rigorosos limites da indústria automóvel para emissões e odores e, ao mesmo tempo, permitir uma transformação economicamente viável.

“Queremos demonstrar até que ponto os materiais sustentáveis conseguem cumprir os rigorosos requisitos da indústria automóvel em matéria de segurança, odor e produção em série”, afirma Patrick Hirsch, responsável de grupo no Fraunhofer IMWS.

O controlo de odores e emissões assume particular importância em aplicações destinadas ao habitáculo. Os compostos orgânicos voláteis (VOC) libertados durante a utilização do componente podem afetar a qualidade do ar interior e originar odores indesejados. Por essa razão, o projeto procura avaliar estas características desde as fases iniciais de desenvolvimento e processamento.

A equipa utiliza métodos de medição desenvolvidos em projetos anteriores, incluindo uma câmara de emissões instalada diretamente junto à extrusora. Esta abordagem permite relacionar o comportamento do material com parâmetros de processo e identificar as condições que conduzem aos níveis mais baixos de emissões.

A combinação entre poliamidas e fibras naturais coloca um desafio particular à transformação. As poliamidas são processadas a temperaturas relativamente elevadas, enquanto as fibras naturais são sensíveis ao calor. É, por isso, necessário encontrar uma janela de processamento suficientemente ampla para evitar a degradação das fibras e, simultaneamente, garantir um bom escoamento e uma conformação adequada do material.

Esta questão torna-se ainda mais relevante durante o ‘scale-up’. A passagem do laboratório para equipamentos de maior capacidade altera parâmetros como os perfis de temperatura, as tensões de corte e os tempos de residência na extrusora. Essas alterações podem influenciar tanto as propriedades mecânicas como as emissões e o odor do material.

O Fraunhofer IMWS assume neste processo uma função de transferência tecnológica. No Fraunhofer Pilot Plant Center PAZ, em Schkopau, dispõe de extrusoras de duplo fuso para trabalhar desde a escala laboratorial até à escala industrial. Os resultados desenvolvidos pela Universidade de Kassel serão transferidos para equipamentos com caudais de pelo menos 100 kg/h e, posteriormente, para a escala industrial no parceiro Exipnos GmbH, em Merseburg.

A capacidade de validação inclui ainda ensaios de moldação por injeção em máquinas de grande dimensão, com forças de fecho até 3200 toneladas, incluindo moldes existentes. Os componentes serão submetidos a ensaios mecânicos de resistência, rigidez e impacto, complementados por análises da microestrutura.

“No Fraunhofer IMWS, podemos testar novos materiais em condições industriais realistas, desde o desenvolvimento da formulação até à produção de componentes moldados por injeção de grande dimensão”, explica Hirsch. “Isto permite-nos estabelecer a ligação entre a investigação fundamental e soluções comercializáveis para as indústrias dos plásticos e automóvel.”

O projeto recorre também à tecnologia Direct Compounding Injection Molding (DCIM), que combina a preparação do material e a moldação por injeção numa única etapa. A redução da exposição térmica poderá contribuir para limitar a formação de odores e preservar as propriedades do composto.

Os resultados deverão traduzir-se em especificações de material e janelas de processamento validadas para fornecedores da indústria automóvel. A Exipnos prevê utilizar os desenvolvimentos inicialmente em estruturas de bancos, com possibilidade de aplicação posterior noutros componentes do interior dos veículos.

Para a indústria dos plásticos, o interesse deste trabalho está na tentativa de ultrapassar uma das principais barreiras à utilização de biocompósitos em aplicações técnicas: garantir que matérias-primas renováveis podem responder às mesmas exigências de desempenho e produção que os materiais convencionais.

A sustentabilidade passa, neste caso, pela combinação de diferentes fatores: origem renovável das matérias-primas, redução da utilização de fibras de vidro, processamento eficiente e capacidade de integração em cadeias de produção existentes. O verdadeiro teste será a passagem do laboratório para uma produção estável, repetível e competitiva.

Financiado pela Fundação Alemã de Investigação (DFG) como projeto trilateral de transferência, o ‘SkaNaPA’ pretende precisamente acelerar essa transição. Se os objetivos forem alcançados, os biopolímeros reforçados com fibras naturais poderão encontrar novas aplicações na indústria automóvel, aproximando os requisitos ambientais das exigências de desempenho que continuam a definir os materiais técnicos para produção em série.