Fibras de carbono sustentáveis da próxima geração: versáteis, de elevado desempenho e económicas
A catálise torna competitivas as fibras de carbono de base biológica
Quer seja em tanques de hidrogénio, baterias, células de combustível ou para blindagem de componentes electrónicos sensíveis - as fibras de carbono são utilizadas numa vasta gama de aplicações avançadas. No Parque Científico de Potsdam, o Instituto Fraunhofer de Investigação Aplicada de Polímeros IAP, em colaboração com a Universidade de Tecnologia de Brandenburgo Cottbus-Senftenberg, está a desenvolver novas fibras de carbono à base de celulose. Estas fibras combinam diversidade estrutural, elevado desempenho elétrico, térmico e mecânico com sustentabilidade. O projeto faz parte do Carbon Lab Factory Lausitz e é financiado pelo Ministério Federal Alemão dos Assuntos Económicos e da Energia. É intensamente apoiado pela Wirtschaftsregion Lausitz GmbH.
Mais do que construção leve: fibras de carbono para aplicações alternativas de alta tecnologia
As fibras de carbono tradicionais, como as utilizadas na construção ligeira, são normalmente fabricadas a partir do polímero à base de petróleo poliacrilonitrilo (PAN). A sua produção é complexa, consome muita energia e recursos e gera grandes quantidades de subprodutos tóxicos. As fibras de carbono à base de breu, outro tipo derivado do petróleo com excelentes propriedades eléctricas e térmicas, são altamente exigentes do ponto de vista técnico e de produção dispendiosa.
O Fraunhofer IAP está a enfrentar estes desafios com uma nova geração de fibras de carbono de alto desempenho - de base biológica e sustentável. Estas fibras combinam variabilidade estrutural com propriedades personalizáveis e um perfil ambiental e económico atrativo. As suas aplicações vão muito além da construção leve para a indústria aeroespacial, defesa, energia eólica ou medicina: como componente de baterias e células de combustível, podem servir como tecidos condutores eléctricos e térmicos, quimicamente estáveis. São também ideais para a proteção de componentes electrónicos sensíveis.
Elevada variabilidade através de processos de fiação e aditivos
A abordagem inovadora do Fraunhofer IAP utiliza a celulose como matéria-prima renovável para os precursores - o material de partida para as fibras de carbono. As fibras precursoras podem ser fiadas em filamentos contínuos utilizando tecnologias de fiação industrial estabelecidas, tais como os processos de viscose ou Lyocell, bem como métodos de moldagem alternativos. Aditivos como a lignina, que tal como a celulose é derivada da madeira, podem ser incorporados diretamente na solução de fiação, aumentando significativamente o rendimento de carbono durante a conversão subsequente em fibras de carbono.
Uma das principais vantagens da celulose é que a estrutura das fibras precursoras - e, consequentemente, das fibras de carbono resultantes - pode ser controlada com precisão através do processo e dos parâmetros de fiação selecionados. Isto resulta em vários graus de orientação e cristalinidade, bem como secções transversais das fibras - por exemplo, redondas, ovais ou lobuladas. Esta última oferece uma área de superfície específica particularmente elevada e é, portanto, adequada para utilização em estruturas condutoras e porosas para eléctrodos permeáveis em baterias de fluxo redox ou camadas de difusão de gás em células de combustível.
A catálise torna as fibras de carbono de base biológica competitivas
As fibras de celulose fiadas sem fim passam depois por um banho aquoso que contém aditivos funcionais ou catalisadores. Este passo ativa o material para a subsequente conversão térmica em fibras de carbono. Aqui, a fibra de celulose tem uma vantagem especial: comporta-se como uma esponja, absorvendo eficazmente os aditivos do banho. O sistema de catalisadores e aditivos desenvolvido pelo Fraunhofer IAP reduz a temperatura de carbonização em mais de 1.000 °C, acelera o processo e aumenta o rendimento de 15 a 45% em peso.
Ao otimizar especificamente os parâmetros do processo - como a temperatura, o tempo de permanência ou o estiramento mecânico - durante a carbonização, é possível obter diâmetros de fibra muito inferiores a quatro micrómetros. Isto é particularmente relevante para as células de combustível. Em comparação: as fibras comerciais medem normalmente cerca de sete micrómetros de diâmetro.
Alto desempenho personalizado - mecânico, elétrico, térmico
A combinação das tecnologias de fiação, ativação e carbonização permite o desenvolvimento de tipos de fibras personalizadas para uma vasta gama de aplicações. O Dr. Jens Erdmann, especialista em fibras de carbono de base biológica no Fraunhofer IAP, enfatiza: "As nossas fibras de carbono combinam um elevado desempenho técnico com sustentabilidade: as suas propriedades mecânicas são comparáveis às das fibras de carbono PAN de alto módulo à base de petróleo - por outras palavras, às das fibras de carbono de elevado desempenho. Apresentam também propriedades eléctricas e térmicas semelhantes às das fibras à base de breu".
Carbon Lab Factory Lausitz: uma ponte para a escala industrial
Os ensaios à escala-piloto no Fraunhofer IAP demonstram o grande potencial desta tecnologia - que será agora ampliada no âmbito da iniciativa "Carbon Lab Factory Lausitz". A nova infraestrutura abrangerá toda a cadeia de valor - desde a matéria-prima, passando pela fibra de carbono, até aos componentes técnicos - na Alemanha. A iniciativa foi lançada em conjunto com a TU Chemnitz e o Instituto de Design Leve e Gestão de Valor Acrescentado da BTU Cottbus-Senftenberg e é um projeto estatal inter-federal entre a Saxónia e Brandenburgo. Apoia o desenvolvimento de uma infraestrutura de investigação única a nível mundial para as fibras de carbono e, por conseguinte, a transformação estrutural da região de Lausitz.
A sustentabilidade e o elevado desempenho - uma procura crescente
"Vemos claramente que o interesse por materiais sustentáveis está a aumentar de forma constante", diz Erdmann. "Mas as vantagens ecológicas por si só não são suficientes para ter sucesso no mercado - o desempenho económico também é crucial. É exatamente aí que nós entramos: conseguimos combinar a responsabilidade ecológica com o desempenho técnico e a eficiência de custos. A capacidade de personalizar e adaptar de forma flexível as propriedades das nossas fibras abre novos campos de aplicação e claras vantagens competitivas - um passo decisivo para a viabilidade económica."
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