Pesquisa leva ao desenvolvimento de matérias-primas com propriedades diferenciadas
Quando se fala a palavra cerâmica, a esmagadora maioria dos mortais logo pensa em louças, vasos, artefatos sanitários, itens de decoração e vários outros produtos presentes há séculos no cotidiano dos habitantes dos mais variados cantos do planeta.
Esse material que todos conhecem é originário da argila, matéria-prima encontrada em abundância na natureza.
Bem menos conhecidos, outros tipos de cerâmicas começam a ser a cada dia mais comentados.
Desenvolvidas a partir de pesadas somas que começaram a ser investidas no final dos anos 70 pelos países ricos, as chamadas cerâmicas avançadas ou especiais são obtidas em laboratórios, a partir da síntese química de diversas substâncias.
Conforme a sua composição, elas contam com características que as credenciam para funções as mais diversas, tornando-se úteis para diferentes segmentos da economia.
Entre as propriedades dessas matérias-primas encontram-se, por exemplo, a elevada resistência mecânica, a possibilidade de agüentar temperaturas altíssimas e o fato de não serem atacadas pela corrosão (veja no quadro abaixo quais são as principais cerâmicas especiais, suas características e em quais funções são mais utilizadas).
Tais propriedades estão fazendo com que essas matérias-primas substituam metais, polímeros e outros materiais em dezenas de aplicações.
A expectativa dos especialistas é de que no futuro a utilidade dessas cerâmicas deve se multiplicar. O otimismo deve-se ao avanço da nanotecnologia, ciência voltada para o estudo e manuseio de partículas cujo tamanho gravita na casa dos milionésimos de milímetros.
Quanto menores e mais puras as partículas das matérias-primas pesquisadas, maiores são as possibilidades de adequar suas propriedades a aplicações hoje presentes apenas na imaginação dos pesquisadores científicos que se dedicam ao assunto.
Pesquisa – No campo da pesquisa de cerâmicas avançadas, o Brasil encontra-se em boa posição, guardadas as proporções do atual estágio da produção científica brasileira perante as dos países avançados.
Bressiani – País tem mais de 300 doutores em cerâmicas.
“Ao todo, contamos com mais de 50 grupos de estudos instalados em diferentes universidades de Norte a Sul do País. Na década de 80, o Brasil contava com 10 doutores especializados em cerâmicas, hoje temos mais de 300”, revela José Carlos Bressiani, vice-presidente da Associação Brasileira de Cerâmica (Abre) e diretor de pesquisa, desenvolvimento e ensino do Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (Ipen), um dos pólos nacionais de excelência no tema.
Inúmeras são as pesquisas realizadas nas universidades brasileiras. Muitos estudos já estão implantados ou encontram-se em vias de serem aproveitados pela indústria. Outros estão em etapas de desenvolvimento científico e visam o aproveitamento desses materiais em projetos que nos próximos anos podem se tornar muito úteis para diversos segmentos da economia.
É importante ressaltar que o desempenho positivo dos pesquisadores nacionais deve-se mais ao talento do que ao apoio financeiro recebido.
A falta de investimentos não resume-se apenas às minguadas verbas destinadas pelas diferentes esferas governamentais à pesquisa científica.
A iniciativa privada, que se beneficia de patentes de aplicações desenvolvidas em laboratórios, não tem dado a devida recompensa para as universidades.
“Recebemos apenas R$ 180 mil por ano da iniciativa privada para a manutenção de nosso laboratório, que custa em torno de R$ 1,3 milhão por ano.
Se tivéssemos maior apoio, nossas pesquisas poderiam caminhar de forma mais eficiente”, avalia Elson Longo, diretor do Laboratório Interdisplinar de Eletroquímica e Cerâmica (Liec) da Universidade Federal de São Carlos (Liec/UFSCar) , cujos trabalhos voltados para o desenvolvimento de materiais são respeitados no Brasil e no exterior.
Siderurgia – Um exemplo ilustra bem a idéia de quea verba destinada pelas empresas à pesquisa é irrisória perto do retorno que elas alcançam com o investimento.
A parceria iniciada em 1989 pela Companhia Siderúrgica Nacional (CSN) com o Liec e a Universidade Estadual Paulista de Araraquara (Unesp) já resultou no desenvolvimento de 54 projetos de implantação de novas tecnologias baseadas no uso de cerâmicas avançadas.
Dados do laboratório dão conta que a parceria proporcionou ganhos de pelo menos US$ 87 milhões para a CSN.
Longo – CSN economizou R$ 87 milhões graças ao Liec.
“Em 1989, a empresa tinha capacidade nominal de produção de 4,2 milhões de toneladas de aço por ano e produzia 2,8 milhões. Hoje, com praticamente os mesmos equipamentos, ela produz 5,5 milhões de toneladas por ano”, informa Longo.
O sucesso da empreitada é tamanho que hoje a CSN mantém um apartamento para abrigar os pesquisadores das universidades que passam temporadas trabalhando em sua sede, situada na cidade de Volta Redonda (RJ).
Ao todo, a empresa conta com seis professores doutores, três alunos de doutorado, dois de mestrado e mais três de iniciação científica envolvidos em projetos destinados à melhoria de suas técnicas de produção.
Entre os estudos feitos para a CSN, muitos se aproveitam do fato das cerâmicas especiais apresentarem características excepcionais de refratariedade.
Cálculos indicam que há cerca de 20 ou 30 anos, eram necessários cerca de 30 kg de materiais refratários para se produzir uma tonelada de aço.
Hoje, com o avanço das cerâmicas, são utilizados cerca de 10 kg por tonelada.
Um exemplo de pesquisa nessa área é apontado pelo professor Longo.
Ele conta que o “coração” do alto forno da CSN é o cadinho, que abriga o gusa líquido nas mais elevadas temperaturas atingidas pelo processo de queima para a redução do óxido de ferro.
Esse tanque é totalmente revestido de blocos refratários de grafite, um material poroso. Isso representava um problema para a operação, pois o gusa líquido conta com partículas de óxido de cálcio, que penetravam nos poros e oxidavam as paredes. (Veja ilustrações)
A UFSCar desenvolveu uma tecnologia pela qual as paredes do cadinho, antes de serem utilizadas nos fornos, levam um banho de nanopartículas de óxido de titânio.
Com a operação, essa substância fica impregnada nas paredes e elimina a porosidade do grafite.
“O mais interessante é que as partículas de óxido de cálcio presentes nos fundidos reagem ao se encontrarem com as partículas de óxido de titânio impregnadas no grafite e se transformam em partículas de titanato de cálcio, que são muito refratárias e ficam presas nas paredes do cadinho”, ressalta o pesquisador.
A patente mais recente obtida pelo Liec, foi conseguida pela pesquisa que desenvolveu um substituto do amianto a partir da adição de cerâmicas avançadas à escória resultante da operação dos altos fornos presentes nas siderúrgicas.
Deve-se observar que o uso do amianto tem sido abolido em todo o mundo pelos males que esse material causa à saúde das pessoas que lidam com ele.
“O material que desenvolvemos, além de não ser cancerígeno, apresenta custo de produção muito menor. Para se obter o amianto é necessário beneficiar rochas.
A escória que utilizamos já está pronta, o que proporciona grande economia ao processo”, observa Longo.
Eletricidade – A escassez de combustíveis fósseis, que promete se transformar em um grave problema nos próximos anos, tem gerado a busca constante por fontes de energia limpas e eficientes.
Uma das alternativas que tem sido muito pesquisada nos países avançados é a da produção de energia a partir do hidrogênio por meio de células feitas em cerâmicas de alto desempenho.
A tecnologia permite a geração de energia para alimentar condomínios, hospitais, veículos e aparelhos eletrônicos, entre outras utilizações.
Estima-se, por exemplo, que milhões de celulares e laptops em todo o mundo, além de 5% da frota de veículos europeus, devem ser movidos a hidrogênio em 2020.
Essa tecnologia vem sendo estudada pelo Ipen desde 1999. Em 2003 foi criado um programa institucional que já resultou em seis patentes protocoladas e outras duas em fase de elaboração.
A iniciativa conta com a presença de uma empresa nacional, a Electrocell, situada no Centro Incubador de Empresas Tecnológicas do instituto, e mobiliza pesquisadores, bolsistas de mestrado e doutorado, técnicos e estudantes de iniciação científica.
De acordo com Bressiani, a principal finalidade do programa é a interação da pesquisa com a nascente indústria nacional do ramo.
“Não pretendemos fabricar células, e sim dominar a tecnologia e nacionalizar seus componentes”, revela. O trabalho já resultou na entrada em funcionamento de um protótipo de bancada com capacidade de gerar um quilowatt de energia.
Se, por um lado, as cerâmicas ajudam a produzir eletricidade, por outro também são indicadas para aumentar a segurança das linhas de transmissão contra as interrupções de fornecimento que podem vir a ser causadas pela queda de raios durante uma tempestade.
Aproveitando o fato de alguns desses materiais serem excelentes isolantes ou ótimos condutores, a UFSCar vem aperfeiçoando fórmulas voltadas para a fabricação de varistores, nomes dados a dispositivos utilizados desde a década de 70 para a proteção das redes de distribuição de eletricidade.
Os trabalhos desenvolvidos pelo laboratório da universidade substituem o dióxido de zinco, matéria-prima utilizada comercialmente na produção dos varistores, pelo dióxido de estanho, substância encontrada em abundância no Brasil e com características mais resistentes.
Com o desenvolvimento, as empresas nacionais interessadas podem vir a fabricar varistores no Brasil, a custo competitivo e com elevada qualidade. Hoje, o país importa grande parte desses dispositivos, fabricados no exterior por empresas como Siemens e 3M.
Computadores – Os atuais filmes de óxido de silício e de nitreto de silício, usados como material dielétrico em capacitores para células de memória instaladas em computadores, não devem suportar, em um futuro próximo, a grande exigência dos usuários por aparelhos com capacidade de armazenamento de informações cada vez maior.
A substituição dos atuais componentes dielétricos vem sendo pesquisada desde o final dos anos 80 e se transformou em uma verdadeira corrida tecnológica. Organizações japonesas e norte-americanas já apresentaram, nos últimos cinco anos, nada menos do que 420 patentes desenvolvidas com essa finalidade.
O tema também é objeto de estudos no Brasil. O Liec, por exemplo, desenvolveu uma fórmula a partir da utilização de titanato de bário e chumbo que permite elevar a atual capacidade de memória dos computadores em até 250 vezes – sua constante dielétrica atinge o índice de 1.800, contra o índice 7 encontrados nos materiais usados hoje em larga escala nos computadores de todo o mundo.
O professor Longo destaca que, além de suas propriedades excepcionais para essa função, o material desenvolvido pela UFSCar tem como grande vantagem poder ser preparado a partir de um processo simples e de baixo custo.
“Preparamos um composto de citratos de chumbo, titânio e bário, que é levado a um forno simples com temperatura de até 300º C para que o material orgânico seja retirado. Em seguida, utilizamos um aparelho de microondas doméstico para orientar a cristalização e obter um filme fino de titanato de bário e chumbo”, ensina.
Biomateriais –A utilização de próteses feitas de cerâmicas avançadas para substituir partes do corpo humano danificadas em acidentes, infecções, tumores ou malformação congênita tem sido fonte de estudos no Ipen. A proposta dos pesquisadores é encontrar soluções de qualidade e baixo custo para produzir esses materiais, que hoje, em sua grande maioria, são importados e têm preços elevados.
Bressiani explica que as cerâmicas aproveitadas pela medicina podem ser bioinertes, bioativas ou reabsorvíveis. As substâncias bioinertes, de elevada densidade, são indicadas para os casos onde há necessidade de materiais que não provoquem nenhum efeito colateral no ser humano.
“São os casos dos implantes que ocorrem nas fraturas das cabeça do fêmur”, exemplifica.
Os materiais bioativos, de baixa densidade, ou seja, alta porosidade, têm sido testados em casos nos quais os pacientes precisam de enxertos que acelerem a recuperação do tecido removido ou danificado.
Os reabsorvíveis, por sua vez, são aproveitados nos casos em que ocorra perda óssea, caso dos provocados por tumores. “Uma vez implantados eles crescem como os ossos naturais”, explica o professor. Já existem grupos interessados em investir nos estudos do instituto.
As cerâmicas também são muito usadas pela odontologia, campo bastante pesquisado nas universidades. Na UFSCar, por exemplo, os estudos alcançaram soluções até mesmo para os equipamentos desenvolvidos para os profissionais desse campo da medicina.
Com a utilização de uma pequena placa composta por materiais de elevado desempenho, a universidade conseguiu aumentar a potência dos fornos domésticos de microondas, que com a adaptação passam a funcionar em temperaturas até 1750ºC – as temperaturas atingidas pelos aparelhos normais são bem menores.
“Dessa forma, os fornos de microondas podem ser aproveitados em operações odontológicas que exigem tratamentos térmicos em altíssimas temperaturas”, informa Longo.
1001 utilidades – Os exemplos de aplicações das cerâmicas avançadas desenvolvidos pelas universidades não param nos exemplos apresentados.
O desenvolvimento da nanotecnologia deve causar, em um futuro próximo, uma revolução no mundo dos pigmentos. As partículas de diversos materiais mudam de cor conforme o tamanho a que são reduzidas.
Um dos setores que devem se beneficiar do desenvolvimento de novos pigmentos é o dos cosméticos, que hoje utiliza matérias-primas orgânicas.
“Os materiais inorgânicos são inertes, não atacam a pele. Eles vão roubar esse mercado”, antecipa Longo. A UFSCar também vem estudando o efeito de diferentes princípios ativos de cosméticos para cabelos, com o objetivo de formular produtos mais eficazes e menos agressivos.
A fabricação de sensores é outro campo que vem sofrendo uma revolução.
Uma prova disso encontra-se nos modernos automóveis, dotados com sensores feitos com cerâmicas especiais que conseguem determinar a quantidade necessária da mistura ar e combustível para o perfeito funcionamento dos motores.
O desenvolvimento de catalisadores que em suas fórmulas se utilizam de matérias-primas obtidas a partir de materiais cerâmicos já é uma realidade.
Um exemplo é dado pela Petrobrás, que utiliza fórmulas do gênero desenvolvidas em seu centro de pesquisa e usadas na operação de craqueamento do petróleo (veja matéria ao lado).
Para quem acredita que a diversificação do uso das cerâmicas avançadas tem limites, uma utilização bucólica talvez elimine tal percepção.
Um dos projetos patenteados pela UFSCar foi o do desenvolvimento de peças de cerâmica avançada de alta densidade que substituem o chumbo utilizado nas iscas de pesca. Elas têm como grande diferencial o fato de não causarem a poluição das águas por não apresentarem metais pesados em sua formulação.
O estudo vai muito além de uma história de pescador. O mercado que ele atinge é imenso, tanto que a tecnologia foi adquirida pela Tecnicer, empresa localizada em São Carlos (SP), que não se arrepende do investimento. Ela vem obtendo bons resultados com a comercialização dessas peças, no passado vendidas apenas por importadores.
Indústria brasileira não acompanha a pesquisa
Em termos de pesquisa e desenvolvimento de cerâmicas especiais, o Brasil encontra-se em um estágio avançado. Quando o assunto passa para a esfera da indústria, no entanto, o País ainda está distante do primeiro mundo.
A produção e uso de cerâmicas especiais com formulações mais simples até que atingem níveis razoáveis. No nicho dos materiais com fórmulas sofisticadas, no entanto, a produção é bastante tímida e os poucos usuários precisam apelar para a importação.
Com fábrica no município de Vinhedo (SP), a multinacional de origem francesa Saint-Gobain passou a produzir no Brasil, a partir de 1999, linhas de cerâmicas avançadas a partir de alumina e carbeto de silício.
Esses produtos, por seus elevados graus de resistência à abrasão, temperatura e contaminação, além de serem considerados excelentes isolantes elétricos, são aproveitados em várias aplicações.
Entre as indústrias que se utilizam de componentes fabricados a partir dessas matérias-primas encontram-se as de papel e celulose, química, farmacêutica, alimentícia, de mineração, siderúrgica, de cimento, eletro-eletrônica e de equipamentos.
Na carteira de clientes da empresa encontram-se nomes como Companhia Vale do Rio Doce, Usiminas, Cosipa, Belgo-Mineira, Ripasa, Votorantim, entre outras gigantes da indústria nacional.
A variedade de peças produzidas com essas matérias-primas é enorme. Podem ser citados os casos dos ignitores para fogões e aquecedores a gás, isoladores para precipitadores eletrostáticos e caldeiras elétricas, anéis e polias para indústrias de fios e cabos, pistões, camisas e sedes para bombas de alta pressão, entre dezenas de outros exemplos.
O carro-chefe da Saint-Gobain são as cerâmicas originárias de alumina.
Antonio – país não tem mercado para sofisticadas.
“Acredito que detemos 75% do mercado nacional desse tipo de cerâmica especial”, revela Wilson Roberto Antonio, coordenador de mercado de mineração e siderurgia.
O executivo ressalta que as cerâmicas fabricadas no Brasil pela empresa são produzidas a partir matérias-primas brasileiras. “Os nossos principais fornecedores são Alcoa e Alcan”, lembra.
Uma das grandes preocupações da empresa é o desenvolvimento da tecnologia. “Investimos constantemente em pesquisas que resultem em novas aplicações para os materiais que fabricamos”, garante.
O objetivo é popularizar o uso das cerâmicas, que por ser relativamente recente ainda não compete com a devida força com outros materiais, entre os quais destacam-se o aço inoxidável e alguns polímeros.
De acordo com Antonio, a expectativa da empresa para 2005 é atingir um crescimento da ordem de 8% a 10%, repetindo ou melhorando o desempenho do ano passado, quando suas vendas evoluíram 8% e a produção atingiu a casa de 100 toneladas de materiais cerâmicos.
Um dos motivos do otimismo é a esperança de avançar nas exportações, que em 2004 responderam por 25% do faturamento da empresa.
“Exportamos para os Estados Unidos, México, China, Japão e, em menor escala, para outros países da América do Sul”, conta.
Por outro lado, quando seus clientes procuram por cerâmicas mais sofisticadas, a saída é importar de fábricas que a empresa mantém nos países avançados.
O dirigente explica que no Brasil ainda não existe mercado para a fabricação de algumas formulações muito especiais, como as que combinam alumina com zircônia, por exemplo.
Catalisadores – Entre as dezenas de aplicações às quais são destinadas as substâncias que formam a base das cerâmicas avançadas, várias são destinadas às indústrias química e petroquímica. Uma das mais interessantes é a partir de fontes de sílica e alumina, entre outras, para a fabricação de catalisadores utilizados no craqueamento do petróleo.
“Os catalisadores não são cerâmicas especiais, utilizam em suas fórmulas as mesmas substâncias usadas para se obter as cerâmicas”, faz questão de esclarecer Oscar Chamberlain, gerente de tecnologia de FCC (Fluid Catalytic Cracking Process) do Centro de Pesquisa e Desenvolvimento (Cenpes) da Petrobrás.
O técnico explica que o desenvolvimento de catalisadores é fundamental para atender a variação da demanda do mercado por diferentes tipos de combustível. “Precisamos contar com uma produção flexível, às vezes a demanda pelo diesel cresce, enquanto a da gasolina cai pelo uso maior ou menor de automóveis a álcool”, diz.
Os processos para a obtenção dos catalisadores são desenvolvidos pela própria Petrobrás, em parceria com a norte-americana Albemarle, sócias na Fábrica Carioca de Catalisadores – FCC, sigla que, não por acaso, remete a Fluid Catalytic Cracking.
Filtros – Presente em mais de 35 países, a Foseco é uma empresa voltada para a fabricação de produtos criados para melhorar a qualidade da operação de fundição.
No Brasil, uma de suas atividades tem sido a de produzir filtros feitos com cerâmicas avançadas, que por suas resistências às elevadas temperaturas e à corrosão são bastante utilizados na produção de peças metálicas fundidas.
Oliveira – mercado se desenvolveu nos últimos de dez a quinze anos.
“O aproveitamento de cerâmicas é recente, se desenvolveu bastante nos últimos de dez a quinze anos”, revela o diretor de marketing e tecnologia Fábio Pace de Oliveira.
As cerâmicas utilizadas são selecionadas de acordo com a temperatura exigida pelo processo de fundição. No caso dos fundidos de aço, por exemplo, fabricados a uma temperatura de 1.800ºC, é utilizada a Zircônia/Alumina.
Já quando a peça é fundida em liga ferrosa, operação efetuada em temperatura de 1.500ºC, a cerâmica mais usada é a de Carbeto de Silício/Alumina.
Para fabricar um filtro, o processo adotado pela Foseco prevê uma série de etapas. Em primeiro lugar, uma esponja de poliuretano com o formato desejado para o filtro é impregnada em uma lama cerâmica. Depois é colocada em um forno de calcinação, que elimina o polímero que serviu de réplica.
“Os filtros cerâmicos permitem uma melhor qualidade dos fundidos, pois eliminam partículas como as do sulfeto de manganês, que se permanecerem nas peças fundidas podem provocar problemas de oxidação”, explica Oliveira.
Filtros à parte, a Foseco mantém um acordo com a UFSCar voltado para o desenvolvimento, por parte da universidade, de fórmulas de cerâmicas porosas para a fabricação de outras peças voltadas para aplicações em processos de fundição. “São materiais para produtos como refratários e isolantes térmicos”, exemplifica o diretor.
