Resíduo da produção de papel pode tornar mais resistentes os materiais automotivos

A fibra de carbono é um componente fundamental na fabricação de automóveis, na engenharia aeroespacial e na infraestrutura energética. Todavia, ela depende em grande parte de produtos derivados do petróleo, que podem ser caros e contribuir para as emissões de carbono. E se a fibra de carbono fosse produzida a partir de um resíduo gratuito e fosse tão ou mais resistente quanto os produtos à base de petroquímicos? Engenheiros da Universidade Washington [WashU], em St. Louis [EUA] estão explorando essa possibilidade, cuja pesquisa foi publicada recentemente na revista Matter.

“Pela primeira vez, isso nos permite criar uma fibra de carbono renovável que alcança o alto padrão de qualidade utilizado na fabricação de automóveis”, disse Joshua Yuan, professor e chefe do Departamento de Engenharia de Energia, Ambiental e Química da WashU. Yuan também é diretor do National Science Foundation (NSF) Carbon Utilization Redesign for Biomanufacturing (CURB) Engineering Research Center da WashU.

Substituindo o petróleo por um resíduo gratuito

Fundamental para o trabalho é o aproveitamento de um resíduo chamado lignina, o segundo biopolímero natural mais abundante da Terra. Esse resíduo é produzido como subproduto das indústrias de fabricação de celulose e biorrefino, e os métodos comuns de descarte da lignina resultam em uma pegada ambiental substancial.

Os engenheiros da WashU queriam descobrir se poderiam usar a lignina para melhorar os métodos de produção da fibra de carbono. Esse material produzido artificialmente é tradicionalmente fabricado com poliacrilonitrila (PAN) sintética, um produto derivado do petróleo que é misturado a produtos químicos, transformado em fibras por meio da extrusão de jatos minúsculos, lavado e estirado. Esse tipo de processo de produção de fibra de carbono é chamado de “fiação úmida”. No entanto, a PAN não é barata e pode representar até 50% do custo total de fabricação das fibras de carbono, o que limita seu uso a produtos de alto padrão, observou Yuan.

Ao adicionar a lignina acessível e abundante ao processo, a equipe da WashU descobriu que poderia reduzir pela metade o uso de PAN, diminuir os custos de produção em 25% e cortar substancialmente as emissões de carbono. Mas o novo produto de fibra de carbono que criaram ainda precisava atender aos padrões da indústria automotiva para resistência à tração e módulo de elasticidade.

Os nanotubos orientam o alinhamento dos cristais

Por isso, os pesquisadores também desenvolveram outro processo que melhora bastante o desempenho. Esse processo envolve a incorporação de nanotubos de carbono de parede única na matriz polimérica, e atua quase como vergalhões para alinhar a química da cristalização. Essa inovação revelou um novo princípio de projeto para o desenvolvimento de materiais de carbono.

“O alinhamento da cristalização é fundamental para a qualidade da fibra de carbono”, disse Yuan.

Os nanotubos de carbono permitiram aos pesquisadores produzir uma solução precursora de lignina e PAN. Essa solução foi então extrudada em fibras para a fiação úmida e, posteriormente, submetida a tratamento térmico para aumentar a resistência do produto.

Weiwei Li, pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Yuan, e primeiro autor da pesquisa, descreveu o trabalho como uma inovação em três etapas.

A primeira etapa foi criar um molde de nanotubos que pudesse se misturar bem com a lignina e a PAN e que permitisse uma cristalização alta ou orientação, disse Li. A segunda etapa envolveu passar essa solução precursora pela fiação úmida e pelo tratamento térmico assistido por tensão. Por fim, uma rodada de carbonização otimizada fortaleceu completamente a fibra. Juntas, as três etapas maximizaram o conteúdo de cristalitos, enquanto os nanotubos de carbono orientaram os cristalitos para criar efeitos de vergalhão e obter propriedades mecânicas excepcionais.

“Tudo isso junto nos permite criar uma fibra de carbono renovável à base de lignina que possui uma estrutura cristalina altamente alinhada”, disse Yuan.

Mercados de fibra de carbono além dos automóveis

A indústria automotiva é apenas o ponto de entrada para os mercados de fibra de carbono otimizada; ela é utilizada em muitas indústrias, desde a de equipamentos esportivos à de turbinas eólicas.

“A fibra de carbono reforça os plásticos e tem usos muito amplos”, disse Yuan.

Detalhes da publicação: Weiwei Li et al. Transforming renewable carbon fiber performance, economics, and sustainability via oriented crystallization design, Matter (2026). DOI:10.1016/j.matt.2026.103001

Informações da revista: Matter

Artigo original (em inglês) publicado por Leah Shaffer na TechXplore.

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