O crescimento contínuo da aplicação de materiais compósitos de madeira e plástico é uma tendência inevitável

O crescimento contínuo da aplicação de compósito de madeira e plástico os materiais são uma tendência inevitável

A procura de madeira está a aumentar devido ao desenvolvimento social, e a velocidade de crescimento das florestas já não consegue satisfazer a procura, o que obriga a indústria da madeira a inovar e a explorar.

Recentemente, a equipa de polímeros de base biológica do Instituto de Tecnologia e Engenharia de Materiais de Ningbo da Academia Chinesa de Ciências (a seguir designado por Instituto de Materiais de Ningbo) preparou compósitos semelhantes à madeira utilizando palha de plantas e outros compósitos de fibras. O chefe da equipa e investigador do Instituto de Materiais de Ningbo, Zhu Jin, disse ao China Science Daily: "Colaborámos com empresas para desenvolver um processo que não só resolve o problema da queima em grande escala de palha rural, mas também espera transformar os resíduos agrícolas e florestais em tesouros".

À procura de alternativas à madeira

Atualmente, a quantidade de madeira redonda obtida através da desflorestação está a diminuir, o que levou ao aparecimento de painéis artificiais na indústria da madeira. O chamado painel artificial é feito de árvores de crescimento rápido, como o choupo, o eucalipto e outras árvores com ciclos de crescimento curtos, que são cortadas em folheado de madeira ou transformadas em fibras de madeira a partir de madeira partida como matéria-prima. Em seguida, são coladas em placas com recurso a adesivos.

O método de fabrico de painéis artificiais é flexível e económico, o que quase pode satisfazer as necessidades diárias das pessoas. De acordo com as estatísticas do Centro de Informação da Associação de Distribuição de Madeira e Produtos de Madeira da China, em 2017, a China produziu anualmente mais de 300 milhões de metros cúbicos de painéis artificiais.

No entanto, os painéis artificiais libertam frequentemente formaldeído devido à presença de adesivos orgânicos. Atualmente, a poluição por formaldeído tornou-se um ponto fulcral de preocupação social.

"Embora a placa artificial tenha uma maior flexibilidade de processamento em comparação com a madeira redonda, o seu processo de moldagem está limitado à produção de componentes simples e não pode produzir componentes complexos como o plástico." Zhu Jin descobriu que os cientistas de polímeros já tinham obtido um novo tipo de material composto de madeira e plástico, enchendo o plástico com pó de madeira. Nos últimos 20 anos, os materiais compostos de madeira e plástico desenvolveram-se rapidamente devido às suas vantagens no processamento de plástico e à beleza da madeira.

Surgiram também novos problemas. "Os materiais compostos de madeira e plástico são preenchidos com pó de madeira, com uma quantidade de enchimento geralmente inferior a 60%. As suas propriedades mecânicas não satisfazem os requisitos da madeira e são propensas a problemas graves, como o empeno e a deformação." Zhu Jin afirmou que os materiais compostos de madeira e plástico não podem satisfazer verdadeiramente as necessidades da madeira e atingir o objetivo de substituir a madeira.

Estruturalmente falando, a microestrutura da madeira é um tipo de material composto de fibra. A história dos materiais compósitos de fibra no nosso país remonta a tempos antigos. Os povos antigos usavam palha de arroz ou palha de trigo para fortalecer o barro para fazer casas, o que é uma utilização de materiais compostos de fibra. Zhu Jin disse: "A palha de arroz ou palha de trigo é difícil de recolher e tratar, é propensa a deterioração, combustão e absorção de água, por isso é difícil ver a sua presença novamente em materiais compósitos modernos."

"Com base na estrutura da textura da madeira, será possível desenvolver um novo tipo de material compósito semelhante à madeira que possa substituir verdadeiramente a madeira?" Zhu Jin liderou uma equipa de polímeros de base biológica para iniciar uma nova tentativa.

Ultrapassar os desafios da tecnologia dos materiais

Tanto a placa artificial como compósito de madeira e plástico requerem a madeira como matéria-prima. "Em 2017, a dependência da China das importações de madeira atingiu mais de 60%". A equipa de Zhu Jin teve a ideia de utilizar fibras de plantas herbáceas anuais, tais como fibras de cânhamo, fibras de bambu, etc., como estruturas de fibra para combinar com plásticos e criar materiais compósitos semelhantes à madeira com estruturas de fibra. "Isto resolverá completamente a dependência da humanidade em relação à madeira".

"Devido aos preços mais baixos de várias fibras vegetais em comparação com as resinas de polímero, o custo destes materiais compósitos também será inferior ao das actuais resinas de plástico. No entanto, a investigação de Zhu Jin descobriu que, para desenvolver e utilizar materiais de fibra vegetal em grande escala, é necessário ultrapassar os desafios da tecnologia de materiais camada a camada".

Devido à forte hidrofilicidade das fibras vegetais, a sua compatibilidade com as resinas poliméricas hidrofóbicas é fraca, o que faz com que o material compósito final apresente uma fragilidade significativa.

O plano de resposta da equipa de polímeros de base biológica é a utilização de aditivos compatíveis. Podem melhorar eficazmente a compatibilidade entre as fibras vegetais hidrofílicas e as resinas poliméricas hidrofóbicas selecionando aditivos compatíveis e, por fim, preparar compósitos poliméricos reforçados com fibras vegetais com elevada resistência e elevado módulo.

No entanto, com o aumento do teor de fibras vegetais, formam-se facilmente vários defeitos na superfície dos compósitos de polímeros de fibras vegetais. Por exemplo, na produção por extrusão, se a fluidez for fraca, podem ocorrer problemas como a incapacidade de extrusão contínua e a forma instável após a extrusão. A solução da equipa de Zhu Jin é utilizar um sistema de lubrificação composto de "lubrificação interna" e "lubrificação externa" para preparar peças para automóveis com aparência complexa e requisitos de fluidez particularmente elevados, e também conseguir a extrusão contínua de chapa metálica.

Além disso, tanto as fibras vegetais como os plásticos comuns são materiais inflamáveis, e o atual problema do retardador de chama dos materiais compósitos de fibras vegetais é também um grande desafio.

"Outras equipas de investigação conseguiram obter o efeito retardador de chama tratando as fibras com solventes orgânicos ou soluções alcalinas. No entanto, este caminho não só é demorado e trabalhoso em termos de tratamento ambiental, como também acarreta muitos custos adicionais." Zhu Jin apresentou o esquema de retardamento de chama passo a passo da sua equipa de polímeros de base biológica utilizando fibras vegetais e matriz de resina: o tratamento retardador de chama é efectuado separadamente para ambos. Através de uma avaliação científica do retardador de chama, o material compósito de fibra vegetal com elevado teor de enchimento atingiu o nível V0 de capacidade retardadora de chama.

Transformação e preparação de materiais semelhantes à madeira

A atual preparação e processamento de fibras vegetais também enfrentam três desafios, nomeadamente como recolhê-las centralmente, como triturá-las eficazmente e como misturá-las uniformemente com a matriz de resina. Tomando a palha como exemplo, Zhu Jin afirmou que o custo de recolha da palha é elevado, existem muitas impurezas e a utilização final abrangente é também relativamente difícil. As máquinas e equipamentos agrícolas podem esmagar preliminarmente este tipo de palha, mas a sua delicadeza ainda está longe da preparação de materiais compósitos.

A equipa liderada por Zhu Jin descobriu, através da investigação, que, para resolver os problemas acima referidos, é necessário, em primeiro lugar, equipamento miniaturizado, que possa ser produzido em vários locais dentro de um determinado intervalo geográfico, para conseguir o processamento de fibras e até a preparação de materiais compósitos; em segundo lugar, deve existir um método eficiente de trituração de fibras para separar as microfibras da palha ou das fibras de cânhamo do caule principal através do processo de trituração; por último, o equipamento requer um binário de mistura e agitação muito forte para misturar totalmente fibras vegetais com elevado teor de resinas plásticas.

Para o efeito, o Instituto de Materiais de Ningbo colaborou com a Weifang Yunding New Materials Technology Co., Ltd. para desenvolver um equipamento de mistura de alta velocidade que pode resolver os problemas acima referidos numa única etapa do processo. Zhu Jin afirmou: "Este equipamento pode preparar com êxito materiais compósitos termoplásticos com um teor de enchimento de até 80% de fibras vegetais. As partículas de material compósito formadas pela mistura de matérias-primas e corte automático podem ser produzidas através de processos convencionais de moldagem de plástico".

O elevado teor de fibras vegetais garante a elevada resistência dos materiais compósitos, que é semelhante à da madeira. Por conseguinte, os materiais poliméricos com elevado teor de fibras vegetais são também conhecidos como materiais compósitos semelhantes à madeira. Este tipo de material compósito semelhante à madeira tem um melhor desempenho global do que a madeira, a placa artificial, o plástico simples e o plástico de madeira tradicional.

Zhu Jin afirmou que, com o aprofundamento da investigação e da comercialização, os produtos de imitação de madeira entrarão em breve no mercado e em milhares de agregados familiares. Deste modo, o desenvolvimento da madeira atingiu uma era que vai dos toros às tábuas artificiais e, depois, às plantas herbáceas anuais que imitam a madeira, libertando a humanidade da dependência da madeira e conseguindo um desenvolvimento sustentável da madeira.