Revestimentos sem PFAS

As substâncias alquílicas per- e polifluoradas, abreviadas como PFAS, são praticamente imbatíveis em termos de funcionalidade: são extremamente resistentes tanto a produtos químicos como ao calor, e é precisamente por isso que estão a enfrentar pressão regulamentar. No entanto, substituí-las está longe de ser simples. As PFAS reduzem o atrito, protegem os componentes contra o desgaste e a corrosão, impedem a acumulação de materiais e mantêm as propriedades de funcionamento de emergência quando as películas lubrificantes falham. Por estas razões, qualquer alternativa requer não só um novo material, mas também uma forma fiável de aplicar esse material a uma grande variedade de componentes.

Através dos projetos RePEEK, EPOS, LEMBAS e pureWaterSeal, o Fraunhofer ILT está a desenvolver processos baseados em laser para a aplicação de revestimentos de alto desempenho sem PFAS em grandes componentes metálicos, mancais lisos, vedantes e rolos de elastómero sensíveis. Dependendo da aplicação, o laser pode depositar materiais de revestimento, derretê-los localmente ou estruturar seletivamente a superfície. Como fornece energia precisamente onde é necessária, e apenas por um curto período de tempo, o laser permite aos engenheiros processar materiais substitutos isentos de PFAS que, de outra forma, exigiriam tratamentos em fornos com elevado consumo de energia ou temperaturas que poderiam danificar o componente subjacente.

O material, por si só, não resolve o problema

«À primeira vista, substituir os PFAS parece simples: eliminar um material problemático e substituí-lo por outro», afirma o Dr. Samuel Moritz Fink, chefe do Grupo de Processamento de Películas Finas do Fraunhofer ILT. «Na prática, porém, o desafio é muito mais complexo. Os materiais que contêm PFAS são frequentemente utilizados precisamente nos locais onde os componentes estão sujeitos às cargas mecânicas mais elevadas.»

Os materiais alternativos têm de aderir de forma fiável ao metal, aos plásticos ou à borracha, resistir a altas temperaturas, manter-se firmemente ligados sob carga e ainda poderem ser aplicados de forma económica — mesmo em componentes de grandes dimensões. «A polieteretercetona, ou PEEK, é um material altamente atraente, tanto do ponto de vista químico como mecânico», explica Fink. «No entanto, não corresponde automaticamente a todas as propriedades do PTFE (politetrafluoroetileno). O PEEK é mais rígido, mais caro e, dependendo da aplicação, mais difícil de processar. Para muitos componentes industriais, a seleção de um pó, película ou polímero diferente é, portanto, apenas parte da solução.»

O verdadeiro desafio reside no processo de fabrico. Como é que o material de substituição é aplicado à superfície? Como é que se liga ao componente? E como podem os engenheiros evitar que os substratos sensíveis ao calor sejam danificados durante o processamento?

«Não encaramos as alternativas aos PFAS simplesmente como uma questão de materiais», afirma o Dr. Christian Vedder, chefe do Departamento de Tecnologia de Superfícies e Ablação do Fraunhofer ILT. «A nossa investigação centra-se em processos de fabrico baseados em laser que nos permitem criar sistemas de revestimento inovadores de forma seletiva.» Estes processos a laser abordam precisamente aquelas áreas em que os materiais substitutos, por si só, ainda não conseguem proporcionar o desempenho necessário. Estruturam superfícies, melhoram a aderência entre o revestimento e o componente e modificam localmente os sistemas de revestimento sem aquecer desnecessariamente toda a peça.

RePEEK: revestimentos de PEEK através de um processo híbrido

No projeto RePEEK, a equipa de engenharia de superfícies está a investigar como os revestimentos à base de PEEK podem ser aplicados a componentes metálicos utilizados em sistemas móveis sujeitos a cargas elevadas. Estão a concentrar-se em aplicações na engenharia mecânica, incluindo grandes mancais lisos, vedantes, pistões e válvulas solenóides.

Os grandes rolamentos lisos utilizados em turbinas eólicas constituem um exemplo particularmente claro deste desafio. Um eixo roda dentro de uma concha de rolamento revestida, que, na maioria dos casos, está atualmente protegida por sistemas de revestimento à base de PTFE. Tal como o próprio nome sugere, o RePEEK substitui o PTFE pelo PEEK.

«Atualmente, o PEEK é frequentemente aplicado em componentes de grandes dimensões, quer sob a forma de película, quer como pó que é posteriormente fixado por calor», afirma Samuel Fink. «Essa abordagem pode funcionar bem para componentes pequenos. No entanto, com peças metálicas que pesam várias toneladas, torna-se muito mais complicado. Todo o componente tem de ser aquecido num forno a uma temperatura elevada e, em seguida, arrefecido lentamente.» O processo consome grandes quantidades de energia, demora bastante tempo e aquece muito mais material do que o realmente necessário para o próprio revestimento.

Os investigadores utilizam primeiro um processo de deposição baseado em laser para criar uma camada superficial metálica. Esta superfície deliberadamente rugosa proporciona uma fixação mecânica para o polímero. Em seguida, aplicam o pó de PEEK no mesmo ambiente de processo e derretem-no localmente com o laser. O polímero fica fixado na superfície metálica rugosa, criando um revestimento compósito constituído por uma camada funcional metálica e um revestimento superior à base de PEEK.

A equipa desenvolveu um bocal especialmente concebido para o pó de PEEK e já apresentou um pedido de patente para o processo. O bocal ciclónico reduz significativamente o fluxo de gás, permitindo que o pó atinja a superfície a uma velocidade muito mais baixa, em vez de ricochetear nela. Como resultado, o processo utiliza de forma mais eficiente uma maior quantidade do pó aplicado e é mais fácil de controlar.

EPOS: Revestimentos PEEK multicamadas para grandes rolamentos lisos

Com base no projeto RePEEK, Delil Idris Demir, do Fraunhofer ILT, está a investigar como os revestimentos à base de PEEK podem ser depositados de forma fiável em componentes de rolamentos lisos de grandes dimensões, em várias camadas. A aplicação do revestimento passo a passo permite obter espessuras de revestimento maiores sem ter de aquecer integralmente num forno componentes que pesam várias toneladas. A ACS Coating Systems contribui com a sua vasta experiência em revestimentos de PEEK, particularmente para aplicações em rolamentos lisos. A empresa tem vindo a desenvolver estes sistemas de revestimento desde meados da década de 1990 e produz atualmente revestimentos com espessuras que variam entre apenas alguns micrómetros e um milímetro. O diretor-geral, Dr. Christoph Stecher, apoia o projeto, disponibilizando os seus conhecimentos especializados em conceção de revestimentos, aplicação à escala industrial e transição para a produção em grande escala.

A Polymer Service GmbH Merseburg (PSM), liderada pela Dra. Katrin Reincke, testa e avalia os sistemas de revestimento resultantes. O seu trabalho centra-se na cristalinidade, na microestrutura e nas condições térmicas da camada de PEEK, bem como nas suas propriedades mecânicas e termomecânicas. Estes dados ajudarão a otimizar tanto o processo a laser como a estratégia de revestimento multicamadas, de modo a que o revestimento adira uniformemente ao substrato e resista às tensões mecânicas a longo prazo encontradas nos rolamentos lisos. O EPOS reúne, assim, a especialização do Fraunhofer ILT no desenvolvimento de processos baseados em laser, a experiência industrial da ACS em tecnologia de revestimento e a especialização em ciência dos materiais da PSM.

LEMBAS: Revestimentos antiaderentes para rolos de elastómero sensíveis

O projeto LEMBAS centra-se nos rolos de elastómero utilizados no fabrico de películas, na indústria de embalagens, na produção de papel e na tecnologia médica. Nestas aplicações, mesmo pequenas partículas libertadas da superfície do rolo podem rapidamente tornar-se um problema.

«Os revestimentos de silicone continuam a ser amplamente utilizados nestas aplicações», explica Adam El-Sarout, também membro do Grupo de Processamento de Películas Finas do Fraunhofer ILT. «Embora proporcionem as propriedades antiaderentes necessárias, nem sempre oferecem a durabilidade exigida pelos atuais processos de fabrico de alta velocidade.» Em colaboração com a Rhenotherm, especialista em revestimentos, a equipa do LEMBAS está a desenvolver processos de fabrico baseados em laser que utilizam polímeros de alto desempenho, tais como PEEK, poliamida e polipropileno. Em comparação com o silicone, estes materiais oferecem maior resistência ao desgaste, melhor estabilidade química e uma vida útil mais longa, tudo isto sem o uso de PFAS.

«O verdadeiro desafio é a janela de processamento», afirma El-Sarout. «Os polímeros de alto desempenho requerem temperaturas de fusão elevadas, mas os elastómeros, como o EPDM, só toleram um calor limitado. Aquecer um rolo de borracha inteiro num forno danificaria o substrato.» O laser resolve precisamente este problema, gerando altas temperaturas apenas onde são necessárias e apenas por um período muito curto no interior do material de revestimento. A camada funcional derrete, enquanto o componente elastómero subjacente permanece em grande parte protegido contra danos térmicos.

Para garantir uma adesão a longo prazo, os investigadores estão a desenvolver não só o próprio revestimento antiaderente, mas também uma camada intermédia que protege o elastómero e reforça a ligação ao revestimento funcional superior. Estão também a adaptar as propriedades óticas e reológicas dos materiais ao processo a laser, ao mesmo tempo que investigam métodos adequados de revestimento e pré-tratamento a laser.

«Um material de substituição tem de fazer mais do que apenas proporcionar a funcionalidade necessária», afirma Vedder. «Tem também de ser compatível com o componente, com os limites de temperatura do substrato e com o processo de fabrico.» Se esta etapa for bem-sucedida, o processo oferece várias vantagens: desgaste reduzido, menos contaminantes no produto, menor necessidade de limpeza e menor consumo de solventes, bem como requisitos energéticos significativamente mais baixos do que os processos convencionais baseados em fornos.

pureWaterSeal: vedantes sem PFAS para lubrificantes à base de água

No projeto pureWaterSeal, investigadores dos Institutos Fraunhofer de Tecnologia Laser (ILT) e de Mecânica dos Materiais (IWM) estão a desenvolver vedantes sustentáveis que eliminam a necessidade de PFAS e funcionam com lubrificantes à base de água. O projeto aborda dois desafios ambientais em simultâneo: os PFAS persistem no ambiente indefinidamente, enquanto os lubrificantes à base de óleo contaminam o solo e a água.

«Na Alemanha, são consumidas cerca de um milhão de toneladas de lubrificantes à base de óleo todos os anos», afirma Matthias Laermann, chefe da equipa de Estruturação de Superfícies do Fraunhofer ILT. «Apenas um litro de óleo pode contaminar até um milhão de litros de águas subterrâneas. As consequências incluem solos poluídos, cadeias alimentares contaminadas e ecossistemas danificados. Estamos a desenvolver soluções que respondem a ambos os desafios simultaneamente.»

Os investigadores do Fraunhofer IWM desenvolveram revestimentos de carbono tipo diamante (DLC) especificamente para componentes poliméricos isentos de PFAS. A equipa do Fraunhofer ILT utilizou então um laser para estruturar o revestimento, aliviando localmente as tensões internas e as cargas mecânicas sem comprometer a estabilidade do revestimento como um todo. Ao mesmo tempo, a combinação do revestimento com a estruturação a laser reduz o atrito, melhora a resistência ao desgaste e prolonga a vida útil das juntas.

Os primeiros protótipos já se encontram em funcionamento em bombas utilizadas em centrais geotérmicas. Em colaboração com parceiros industriais, os investigadores estão agora a adaptar as vedações para aplicações adicionais, incluindo veículos de passageiros, hélices de navios, turbinas eólicas e maquinaria agrícola. Ao mesmo tempo, a equipa está a preparar-se para ampliar a tecnologia para sistemas de maior dimensão e para a produção industrial.

O laser torna a transição de material viável

Os vários projetos no Fraunhofer ILT demonstram que a substituição dos PFAS envolve mais do que simplesmente trocar um material por outro. Exige também processos de fabrico e de engenharia de superfícies capazes de aplicar esses novos materiais de forma fiável. Aqui, o laser desempenha um papel fundamental. Deposita materiais localmente, funde-os precisamente onde é necessário ou estrutura revestimentos funcionais sem exercer tensão térmica desnecessária sobre o componente subjacente.

Isto confere maior flexibilidade à indústria. Não é necessário esperar por uma única solução de substituição que possa dar resposta a todas as aplicações de PFAS. Em colaboração com parceiros da indústria, o Fraunhofer ILT está a desenvolver sistemas de revestimento personalizados para vários componentes e requisitos: superfícies de baixo atrito para mancais lisos, revestimentos antiaderentes resistentes ao desgaste para rolos e sistemas de vedação sem PFAS para lubrificantes à base de água.