Tecnologia brasileira permite reduzir custo da fibra de carbono de piche de petróleo

Estudo de pesquisadores do Centro Tecnológico do Exército – CTEx, no Rio de Janeiro, com apoio da Petrobras, permitiu o desenvolvimento de tecnologia para a criação de fibra de carbono a partir do piche de petróleo. A vantagem da invenção brasileira é utilizar a parte pesada do petróleo – que usualmente é queimada como óleo combustível, sem aplicação nobre atualmente –, o que ajuda a baratear a fibra e a viabilizar seu uso em larga escala. Também reduz o valor da fibra a criação de um processo produtivo barato no CTEx. Além do preço, outra vantagem da solução são as qualidades técnicas recomendáveis.

Com a tecnologia nacional, foi possível desenvolver piche de qualidade superior, chamado piche mesofásico, e fiá-lo de forma contínua, um segundo desafio. A única fábrica, localizada no Japão, que produz fibra de carbono a partir de piche de petróleo utiliza piche isotrópico. No Brasil, a fabricação está em escala semi-industrial, mas o País poderá ser o primeiro a produzir essa fibra em escala comercial, se a Petrobras e/ou o governo investirem.

Busca-se quebrar as barreiras de custo das fibras de carbono para atender a indústria automobilística. Diversas tentativas já foram feitas com materiais precursores não convencionais, como a lignina, mas falharam porque excederam os custos máximos e não atingiram as resistências mecânicas mínimas. O maior mercado dessa fibra é a indústria automobilística de linha, que aguarda sua abertura, porque os carros de Fórmula 1 e os fora de linha já a utilizam em larga escala há muitos anos.

As fibras de carbono em desenvolvimento no CTEx a partir de piche de petróleo atendem as exigências da indústria automobilística no que tange às resistências mecânicas. O custo ainda não pode ser avaliado com exatidão devido ao fato de a produção estar em escala semi-industrial. Entretanto, se forem utilizados os parâmetros de custos internacionais para a produção de fibras de carbono – como a matéria-prima utilizada no Brasil é barata e acessível e o valor da fabricação do piche desenvolvido no CTEx é também baixo –, os primeiros cálculos indicam que poderá variar de US$ 10,00 a US$ 15,00 por quilo, o que também estaria dentro dos parâmetros da indústria automobilística, que procura por fibra de carbono cujo preço máximo seja de US$ 15,00 por quilo e tenha resistência à tração mínima de 1,72 GPa.

Essas fibras, ao substituírem o aço, poderiam reduzir em 2/3 o peso do veículo, mas ainda mais importante do que a redução de consumo de combustível oriunda dessa diminuição de peso é a fantástica quantidade desse material que seria demandada ao mercado produtor, algo em torno de 90 mil t/ano, ou seja, o dobro da produção mundial desse material em 2010, se apenas 1% do aço dos carros fabricados hoje fosse substituído por compósitos de fibra de carbono, o que significaria uma indústria multibilionária.

Quanto ao tempo de produção em uma linha de massa, vai depender do tipo de peça a ser utilizado e do processo adotado.

Fibras de carbono
O mercado mundial de fibras de carbono, que até 2010 estava entre 40 e 45 mil t/ano, com projeção para 60 mil t/ano em 2015, alcançou em 2012 o número de 114 mil t/ano. No Brasil o salto também foi grande, como mostrado no gráfico abaixo.

Existem inúmeros tipos e teriam aplicações praticamente ilimitadas não fosse o custo elevado. As fibras de carbono mais baratas estão na faixa de US$ 25,00 o quilo e as mais caras ultrapassam US$ 1.200,00 por quilo. Se pudessem ser produzidas a um custo mais baixo, praticamente tudo poderia ser feito a partir delas, com aumento de durabilidade e leveza.

As fibras de carbono oriundas de piche têm maior valor agregado e alta condutividade térmica, elétrica e mecânica. São produzidas no Japão e nos Estados Unidos, sendo que a matéria-prima utilizada é o piche de alcatrão ou piche sintético feito a partir de naftaleno e metil-naftaleno. As oriundas do polímero poliacrilonitrila – PAN têm maior resistência à tração e são fabricadas em vários países, entretanto os que detêm a tecnologia são Japão (maior produtor), Estados Unidos, Alemanha, China e Rússia. Essas fibras têm comercialização muito restrita e regulada por vários tratados, assinados e ratificados inclusive pelo Brasil. Esses são os tipos de fibras de carbono mais comuns.

As de altíssima resistência à tração, feitas a partir de PAN, são as preferidas da área aeroespacial e estão presentes cada vez mais nos aviões comerciais. O Boeing 787 utiliza 50% em peso de fibra de carbono. As fabricadas a partir de piche são as preferidas da área eletroeletrônica dada sua alta condutividade térmica e elétrica.

Atualmente se discute muito o pré-sal e novamente a fibra de carbono ganha lugar de destaque. O quadro abaixo mostra de forma comparativa como se reduz o número de cabos necessários para fixação de uma plataforma de petróleo e a massa dos cabos quando a profundidade da lâmina de água aumenta. A 3.000 m de profundidade, por exemplo, seriam necessários 12 cabos de fibra de carbono com peso de 4.476 t contra 16 cabos de aço, com 126.229 t.

Se a comparação for feita em termos de custo, mesmo com os atuais preços das fibras de carbono, a 2.000 m de profundidade o valor da utilização da fibra empata com o do aço, mas a 3.000 m seria aproximadamente metade do custo do aço.

O carbono é o único elemento da natureza que pode combinar com outros de quatro maneiras, por isso possibilita produzir materiais antagônicos, ou seja, macios, duros, porosos, impermeáveis, etc. A gama de produtos que se pode obter a partir dele é quase ilimitada e está presente em muitas indústrias e quase sempre naquelas que produzem tecnologia de ponta ou sensíveis e estratégicas.

Os materiais de carbono mais conhecidos atualmente são os nanomateriais devido à publicidade dada ao grafeno, que proporcionou dois prêmios Nobel em 2010, e a fibra de carbono, porque está mais presente no dia a dia, seja na forma de raquete de tênis, taco de golfe ou nos modernos aviões. O primeiro nanomaterial de carbono a ser descoberto foi o fulereno, em 1985, posteriormente os nanotubos, em 1991, e o grafeno, em 2010.

Quando se fala de materiais de carbono, fora da nanotecnologia, as principais fontes de carbono são as minas de grafite natural, o alcatrão, que é o resíduo produzido nas coquerias da indústria siderúrgica, e o petróleo. Dentre esses, o petróleo é a maior fonte a ser considerada.

O Brasil é rico em grafites naturais, que possuem qualidades distintas dentro das minas, mas os melhores são encontrados em proporção muito pequena. O alcatrão tem sido desconsiderado como fonte importante no mundo devido à sua alta toxicidade. Quanto ao petróleo, além de ser abundante, a parte pesada não tem nenhuma aplicação nobre atualmente.

Desenvolvimento no CTEx
Os laboratórios do Núcleo de Competência para o Desenvolvimento de Tecnologia de Carbono – NCDTC do CTEx, com 9 mil m2, proporcionaram desenvolvimentos diversos e, desses, quatro originaram registros de patentes e a criação de pelo menos seis produtos novos até o momento utilizando-se a parte pesada do petróleo. A fibra de carbono de piche de petróleo é apenas um desses produtos. O gerente do Projeto Carbono do NCDTC é o major dr. Alexandre Taschetto de Castro, e o coordenador do projeto é o dr. Carlos Henrique Monteiro de Castro Dutra.

Vários desses produtos sofrem o que se chama de escalada tecnológica, ou seja, passam da produção de quilos para toneladas, e o próximo passo é atingir o mercado, sabendo que a única barreira para que isso aconteça é o investimento financeiro, porque as tecnológicas já foram transpostas.

Nessa área, pode-se dizer que a “inércia” foi vencida e que, se a estrutura e a pesquisa forem mantidas em “movimento”, novos resultados devem surgir. Todo o problema se volta, portanto, a uma variável desprezada no Brasil, que é a continuidade.

Crédito:Artigo escrito pela Central de Geração de Conteúdo de NEI Soluções com base em informações cedidas por Luiz Depine de Castro, doutor em Ciência dos Materiais com especialização em carbono/grafite, presidente da Associação Brasileira de Carbono – ABCarb e consultor para o Centro Tecnológico do Exército – CTEx na área de materiais de carbono

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