Projeto liderado pela Gerdau Graphene e IPT apresenta os resultados para desenvolvimento de projeto em materiais avançados

Inovações em polímeros, lubrificantes, cimento e concreto com a adição de grafeno foram as três fontes de aplicações do projeto CIGraph (Centro de Inovação em Grafeno), executado pela Gerdau Graphene em parceria com o Instituto de Pesquisas Tecnológicas (IPT). O projeto, iniciado em 2022 e finalizado este ano, foi aprovado pela FINEP na chamada pública para estruturação de Centros de Tecnologia e Inovação Aplicadas em Materiais Avançados, em edital que visava apoiar o desenvolvimento tecnológico e a inovação no país, com foco em materiais avançados.

O grafeno é um nanomaterial bidimensional, formado por átomos de carbono interligados em uma estrutura hexagonal, similar a um favo de mel. Ele pode ser obtido por meio de diferentes fontes de carbono, como por exemplo o grafite, e sua utilização em diversos setores industriais oferece uma variedade de benefícios, sempre ligados à resistência e eficiência.

O grafeno apresenta diversas qualidades devido às suas propriedades únicas, tornando-o um material muito versátil – por exemplo, é resistente, sendo 200 vezes mais forte que o aço, e ao mesmo tempo muito leve. Além disso, o grafeno é altamente flexível e pode ser dobrado e esticado, em aproximadamente 20%, sem se romper, e absorve apenas 2,5% da luz branca, sendo quase transparente, quando consideramos uma monocamada atômica. Outra de suas características é o fato de ser um ótimo condutor elétrico e térmico, possuindo alta mobilidade de elétrons e condutividade elétrica 10 vezes maior que do cobre.

O projeto da Gerdau Graphene e do IPT esteve focado na pesquisa em aplicação e em novos produtos – ou seja, fabricar o grafeno não foi o objetivo do estudo, mas sim melhorar o seu desempenho e avaliar as diferentes formas de utilização de seu potencial. O CIGraph focou em três frentes de aplicação direcionadas pela Gerdau Graphene, envolvendo centros de avanço científico-acadêmico, funcionalização e dispersão, tecnologia de produção e aplicação industrial: polímeros mais resistentes; cimento & concreto mais duradouros e lubrificantes de alto desempenho.

“A ideia era promover a compatibilidade do grafeno com estas três diferentes matrizes. Foi criado um centro de P&D baseado em aplicações do grafeno a fim de preencher o gap que existe entre a tecnologia atual e as aplicações comerciais, que pudessem fomentar a nossa economia”, explica a pesquisadora e diretora técnica da Unidade Materiais Avançados do IPT, Sandra Lúcia de Moraes. “O grafeno é um material muito recente, e reuniu-se um grupo de 50 pesquisadores audaciosos com uma proposta de funcionar como um catalisador tecnológico, em um ecossistema de pesquisa global do material. E este modelo de projeto, em que o P&D aconteceu no IPT e a Gerdau Graphene concentrada na inteligência de mercado, alterando a estratégia durante o projeto, foi uma forma interessante de trabalhar”.

PLÁSTICOS MAIS RESISTENTES – Promover a incorporação e a sinergia do grafeno nos sistemas poliméricos visando à melhoria de diferentes propriedades destes materiais foi o objetivo geral do projeto dedicado aos polímeros, ao lado de dois objetivos específicos: o desenvolvimento de compósitos poliméricos a base de grafeno a partir de masterbatches (concentrados) de grafeno comerciais, e também o desenvolvimento dos masterbatches de grafeno a partir da incorporação de grafeno comercial na forma de pó nas matrizes poliméricas.

Dez formulações em termoplásticos incorporando grafeno foram testadas, com concentração de 0% a 10% de grafeno, em escalas laboratorial e semi-industrial; no caso de elastômeros, sete formulações foram testadas, também com concentração de 0% a 10% de grafeno, em escalas laboratorial e semi-industrial.

Entre os resultados, está em andamento a produção de tubos de irrigação em escala industrial a partir do masterbatch desenvolvido no CIGraph, com redução de espessura utilizando polipropileno virgem e também reciclado, e o desenvolvimento com o Laboratório de Estruturas Leves do IPT de protocolos de caracterização (além dos testes realizados pela empresa parceria) dos tubos. Além disso, estão em andamento testes de produção de componentes automotivos (válvulas) em escala industrial, por duas empresas parceiras, a partir de um masterbatch similar ao desenvolvido no CIGraph. Os objetivos são diminuir a quantidade de fibra de vidro (ou sua eliminação) e substituir a poliamida (com e sem fibra de vidro) por polipropileno com grafeno, além da melhoria de propriedade mecânica.

ÓLEOS E GRAXAS DE ALTA PERFORMANCE – O desenvolvimento e a validação técnica de uma solução tecnológica a base de grafeno, no caso um aditivo (booster), para incorporação direta em óleos lubrificantes de uso automotivo, visando aumento de eficiência energética, foi executada durante o projeto pelo Núcleo de Bionanomanufatura do IPT. Os objetivos específicos desta plataforma de pesquisa foram a redução de coeficiente de atrito (consequente diminuição do desgaste) e também do consumo de combustível. Ficou definido, por decisão da Gerdau Graphene, que o projeto se concentraria somente em motores a diesel.

Foram estudados três aditivos comerciais, que foram trazidos para o projeto como referências, e também três concentrados formulados pela própria Gerdau Graphene. Cerca de 450 ensaios foram executados, com avalição de estabilidade física dos componentes, ensaios físico-químicos e ensaios em dinamômetro (em parceria com a MWM), ou seja, em escala laboratorial.

Como resultados chave no projeto, foi indicada uma redução de até 20% do coeficiente de atrito e três variantes foram testadas em motor: a de melhor resultado foi então testada por 200 horas em um ciclo de emissões e ao final apresentou 1,3% de economia de combustível. Os pesquisadores não observaram impactos negativos com a adição de grafeno e tampouco se observou efeito na emissão de particulados, que era um dos riscos da adição de nanopartículas no óleo.

CONCRETOS E ARGAMASSAS MAIS DURADOUROS – O segundo material mais consumido na humanidade, após a água, é o concreto: a transição para um material descarbonizado não é apenas possível, mas também necessária em termos econômicos e ambientais. Produzir concretos compostos com grafeno, preservando e/ou incrementando as características físico-mecânicas, reológicas e de durabilidade do material visando sua aplicação em um sistema de paredes de concreto, foi o objetivo geral do projeto.

Os pesquisadores do Laboratório de Materiais para Produtos de Construção estudaram sete formulações, com concentração variando de 0,01% a 0,1% de grafeno, a fim de obter um material em suspensão e estável, o que foi um dos grandes desafios do projeto e consumiu quase todo o primeiro ano do projeto.

Os principais resultados mostraram que a adição de grafeno ao concreto trouxe uma redução significativa da absorção de água, aumentando a durabilidade; a maior resistência à carbonatação, protegendo contra a corrosão (diminuição de 10% na profundidade de carbonatação) e também o incremento da resistência à penetração de íons cloreto, com redução de 12% da carga passante, aumentando a proteção contra danos. Houve ainda um ganho de 6% de resistência à compressão no concreto com a adição do grafeno, um valor que pode parecer modesto à primeira vista, mas que contribui de maneira significativa para diminuir a pegada de carbono considerando os volumes mundiais.