Plástico inteligente inovador: autocura-se, muda de forma e é mais forte do que o aço
Investigadores de engenharia aeroespacial e ciência dos materiais da Texas A&M University descobriram novas propriedades de um plástico ultra-durável, reciclável e inteligente - abrindo caminho para aplicações transformadoras nas indústrias da defesa, aeroespacial e automóvel.
O Dr. Mohammad Naraghi apresenta o ATSP, o plástico inteligente de fibra de carbono.
Dr. Mohammad Naraghi/Texas A&M University College of Engineering
A descoberta - financiada pelo Departamento de Defesa dos EUA e publicada na Macromolecules e no Journal of Composite Materials - foi liderada pelo Dr. Mohammad Naraghi, diretor do Laboratório de Materiais Nanoestruturados e professor de engenharia aeroespacial na Texas A&M, em estreita colaboração com o Dr. Andreas Polycarpou da Universidade de Tulsa.
O seu trabalho explorou a integridade mecânica, a recuperação da forma e as propriedades de auto-regeneração de um composto avançado de plástico de fibra de carbono denominado Copoliéster Termoendurecível Aromático (ATSP).
Cura de danos a pedido
O ATSP abre novas fronteiras nas indústrias em que o desempenho e a fiabilidade são críticos e a falha não é uma opção.
"Em aplicações aeroespaciais, os materiais enfrentam tensões extremas e altas temperaturas", disse Naraghi. "Se qualquer um desses elementos danificar qualquer parte de um avião e interromper uma de suas principais aplicações, será possível realizar a autocura sob demanda."
À medida que o ATSP amadurece e ganha escala, tem o potencial de transformar as indústrias comerciais e de consumo, em particular o sector automóvel.
"Devido às trocas de ligações que ocorrem no material, é possível restaurar as deformações de um carro após uma colisão e, mais importante, melhorar significativamente a segurança do veículo, protegendo o passageiro", disse Naraghi.
O ATSP é também uma alternativa mais sustentável aos plásticos tradicionais. A sua capacidade de reciclagem torna o material um candidato ideal para as indústrias que pretendem reduzir os resíduos ambientais sem comprometer a durabilidade ou a resistência.
"Esses vitrímeros, quando reforçados com fibras descontínuas, podem passar por ciclos de nível - você pode facilmente esmagá-los e moldá-los em uma nova forma, e isso pode acontecer em muitos, muitos ciclos, e a química do material basicamente não se degrada", disse ele.
Descobrindo as capacidades do ATSP
"Os ATSPs são uma classe emergente de vitrímeros que combinam as melhores caraterísticas dos plásticos tradicionais", disse Naraghi. "Eles oferecem a flexibilidade dos termoplásticos, com a estabilidade química e estrutural dos termofixos. Assim, quando combinados com fibras de carbono fortes, obtém-se um material que é várias vezes mais forte do que o aço, mas mais leve do que o alumínio."
O que distingue o ATSP dos plásticos tradicionais é a sua capacidade de auto-regeneração e de recuperação da forma.
"A recuperação da forma e a auto-regeneração são duas facetas do mesmo mecanismo", explicou Naraghi. "Com a recuperação da forma, refere-se à troca de ligações dentro de uma peça contínua de material - uma espécie de 'inteligência' incorporada. E, na auto-recuperação, há uma descontinuidade no material, como uma fenda. Estas são as propriedades que investigámos".
Para investigar as suas propriedades, os investigadores utilizaram um novo teste de tensão denominado ensaio de fluência cíclica.
"Aplicámos ciclos repetidos de cargas de tração, ou estiramento, às nossas amostras, monitorizando as alterações na forma como o material acumulava, armazenava e libertava energia de deformação", disse Naraghi.
Utilizando cargas cíclicas, os investigadores identificaram duas temperaturas críticas no material.
"A primeira é a temperatura de transição vítrea, ou a temperatura à qual as cadeias de polímeros se podem mover facilmente, e a segunda é a temperatura de vitrificação. É a temperatura a que estas ligações são suficientemente activadas termicamente para que se possam observar trocas maciças de ligações para provocar a cicatrização, a remodelação e a recuperação", afirmou.
A equipa realizou então testes de fadiga por flexão de ciclo profundo, aquecendo periodicamente o material a cerca de 160 graus Celsius para desencadear a auto-regeneração.
Os resultados mostraram que as amostras de ATSP não só suportaram centenas de ciclos de tensão e aquecimento sem falhas, como também se tornaram mais duráveis durante o processo de cura.
Tal como a pele se pode esticar, sarar e voltar à sua forma original, o material deformou-se, sarou e "recordou" a sua forma original, tornando-se mais durável do que quando foi originalmente fabricado", afirmou Naraghi.
Rachadura, cicatrização, repetição
Naraghi e a sua equipa submeteram o ATSP resistente ao calor a cinco ciclos de tensão extenuantes, cada um seguido de uma exposição a altas temperaturas de 280 graus Celsius.
O objetivo? Avaliar o desempenho do material e as suas propriedades de auto-regeneração.
Após dois ciclos completos de cicatrização de danos, o material recuperou quase toda a sua força. No quinto ciclo, a eficácia da cicatrização desceu para cerca de 80% devido à fadiga mecânica.
"Utilizando imagens de alta resolução, observámos que o compósito após danos e cicatrização era semelhante ao design original, embora os danos repetidos tenham causado algum desgaste mecânico localizado atribuído a defeitos de fabrico", afirmou Naraghi.
Ainda assim, a estabilidade química do material e os comportamentos de auto-regeneração mantiveram-se fiáveis ao longo dos cinco ciclos.
"Também observámos que não houve degradação térmica ou quebra do material, demonstrando a sua durabilidade mesmo após danos e cicatrização", disse Naraghi.
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