Compósitos e ambiente

Defende-se que com o desenvolvimento tecnológico avança uma tendência para a leveza, em que deste a pré-história, a produção de objectos cada vez mais refinados e leves, era conseguida através de operações técnicas e conhecimentos cada vez mais complexos (Manzini, 1986, p.103 baseado em André Leroi-Gourhan). Assiste-se, cada vez mais, a uma mais profunda, intensa e precisa manipulação de matéria; no entanto, adverte-se, que os materiais assim produzidos são mais difíceis de reintegrar nos ciclos naturais no fim da sua vida útil, e que os materiais compósitos são combinados de um modo praticamente indissociável; esta questão coloca-se nomeadamente na indústria automóvel, em que o emprego de compósitos avançados substitui componentes metálicos (Manzini, 1986, p.49).

«Foram necessários cerca de dois séculos para construir uma cultura ecológica capaz de distinguir os termos do problema ambiental que se colocou na primeira fase da era industrial. Esperemos que, hoje, os novos termos da questão e as linhas de uma possível solução sejam mais rapidamente identificados. Perante a densidade de desempenhos dos objectos neotécnicos e da sua inquietante “quase organicidade”, que corresponde realmente a uma vincada diferenciação relativamente a quaisquer bases “naturais”, temos que elaborar uma cultura ecológica capaz de tratar não só os problemas, mais evidentes, da quantidade, como também os dilemas, mais subtis, da qualidade. Este passo é imperativo, não por razões que tenham que ver com uma fútil oposição à dinâmica de transformação em curso, mas porque é necessário constituir um componente cultural que oriente esta evolução em direcção a equilíbrios aceitáveis entre o ambiente artificial e as leis da Natureza a que estamos vinculados.» (Manzini, 1986, p.49).

15 _{Gordon, J. E. (1976), The New Science of Strong Materials, or Why You Don’t Fall Through the Floor,}

No âmbito da prossecução de um desenvolvimento sustentável, considera-se importante substituir gradualmente os materiais não renováveis pelos renováveis, pelo que a utilização de fibras naturais se revela pertinente. As principais vantagens de compósitos reforçados com fibras naturais são um baixo peso e custo, em comparação com outros materiais. Por outro lado, dependendo da matriz utilizada, a sua deposição no fim do ciclo de vida da aplicação é fácil, e não causa danos ambientais. Entre as desvantagens destes materiais distinguem-se: propriedades mecânicas baixas, e a variabilidade destas em função das condições de armazenamento da matéria-prima, bem como de variações de humidade e temperatura em serviço (Ermolaeva et al., 2002, p.463). No entanto, defende-se ser possível melhorar substancialmente as propriedades das fibras naturais, de modo a que possam ser utilizadas em aplicações estruturais:

«The natural fiber composites application to medium and heavily loaded structures will be possible through the improvement of their mechanical properties, reliability of mechanical testing results, proper material models for numerical simulation of structural behavior and the development of design guidelines.» (Ermolaeva et al., 2002, p.463 baseados em de Kanter et al.16, 2001).

O uso de certos tratamentos químicos permite também obter melhores propriedades mecânicas, na medida em que reforça a adesão entre a fibra e a matriz, do que resulta um material compósito com desempenhos superiores (Ermolaeva et al., 2002, pp.463-464).

Exemplos da utilização de fibras naturais na constituição de materiais compósitos encontram- se em Ermolaeva et al. (2002): já têm sido utilizados materiais compósitos com fibras naturais em substituição dos de fibras sintéticas em diversos componentes de automóveis, essencialmente não estruturais, e em modelos de marcas como Mercedes Benz, Chevrolet, Daimler-Benz e Ford Motors Company (Ermolaeva et al., 2002, p.463 baseados em Paslen17, 2000, e Kaveline18, 2001). Nestes compósitos reforçados com fibras naturais, utiliza-se frequentemente uma matriz de polipropileno pela possibilidade de reciclar os materiais. Como observado, quando se inclui o critério de reciclabilidade no âmbito da selecção de materiais, sobram poucas alternativas (Ermolaeva et al., 2002, p.463, 3ª etapa na tabela de resultados).

Uma das vantagens dos materiais compósitos termoplásticos reforçados face aos termoendurecíveis reforçados é o seu processamento; em forma de folha, os primeiros podem ser processados por uma variedade de tecnologias em que é aplicado calor ou pressão, e a sua

16 _{de Kanter, J. L. C. G., Vlot, A., Kandachar, P., Kaveline, K. (2001), Toward a new paradigm in car}

design, in: Proceedings of the International Conference on Materials for Lean Weight Vehicles 4 (LWV4), 30- 31 October 2001, Heritage Motor Center, Gaydon, UK (in press).

17 _{Paslen, A. (2000), Renewable materials for automotive applications, Report DE-129, OCP DE, TU}

Delft.

conformação é significativamente mais rápida (Edwards, 2004b, p.568); já existem tecnologias para o processamento de compósitos termoplásticos com maiores cadências produtivas do que os processos tradicionais dos compósitos (Edwards, 2004b).

O desenvolvimento de pás rotativas para a produção de energia eólica é actualmente um dos principais desafios de engenharia, design e materiais; de um modo geral, considera-se que a sua forma deve ser aerodinâmica, comparável à asa de um avião (Brøndsted et al., 2005, p.506). Em condições de serviço, as pás são submetidas a um conjunto complexo de forças, pelo que os requisitos dos materiais utilizados são exigentes: elevada rigidez, baixa densidade e longa resistência à fadiga (Brøndsted et al., 2005, pp.507-508). O comprimento das pás tem crescido substancialmente; durante a década de 80, as primeiras tinham entre 12 a 15 metros; actualmente já existe uma com mais de 60 metros (Brøndsted et al., 2005, p.509). Considera-se que o aumento das dimensões e redução do peso das peças são questões cruciais no âmbito da redução dos custos da energia eólica (Brøndsted et al., 2005, p.533).

A partir dos critérios de desempenho requeridos, foram identificados dois grupos de materiais, madeiras e compósitos: no que respeita às madeiras, é referido que este grupo é potencialmente interessante pela sua baixa densidade, mas que, dada a sua baixa rigidez, é difícil limitar as deflexões elásticas do material em pás de grandes dimensões. Por outro lado, o facto de a madeira ser um material natural, é atractivo quanto ao seu desempenho ambiental, mas dificulta a obtenção de peças iguais, reproduzíveis, e de elevada qualidade19_{; considera-se que estes são}

requisitos essenciais para uma produção estável e económica das pás, e que a proliferação da utilização dos compósitos nesta aplicação se deve, em parte, por estas razões (Brøndsted et al., 2005, p.511).

Os primeiros materiais compósitos utilizados nesta aplicação eram constituídos por fibra de vidro e uma matriz de poliéster; este material compósito reforçado com fibra de vidro e respectivo método de processamento foram transferidos da indústria naval; considera-se que a disponibilidade destas tecnologias contribuiu para o rápido desenvolvimento das pás, e, consequentemente, da energia eólica (Brøndsted et al., 2005, p.514).

Posteriormente, começaram também a ser utilizadas fibras de carbono. Em Brøndsted et al. apresenta-se uma síntese dos dois métodos de obtenção das fibras de carbono; refere-se que ambos os processos são muito dispendiosos, quanto às matérias-primas utilizadas e quanto aos processos. Recentemente, nos Estados Unidos, têm sido desenvolvidos esforços no sentido de encontrar matérias-primas mais baratas, entre as quais a lignina de biomassa, e desenvolver a economia de processamento, nomeadamente, através da redução do número de etapas da produção (Brøndsted et al., 2005, p.513).

Acerca de outros possíveis materiais para esta aplicação, é referido o seguinte:

«At present none of the composites based on aramid, polyethylene, or cellulose fibers has been developed to an industrial technical level, which could make them practically interesting for large rotorblades. Two of the polymer fibers, aramid and polyethylene, are based on crude oil, i.e., a non-renewable resource, whereas the cellulose fibers are based on biomass, which is a renewable resource. The increasing focus on environment and ecology, as well as on limited resources, may make the cellulose fibers particularly interesting for demanding structural application, such as large rotorblades.» (Brøndsted et al., 2005, p.532).