I&D.

Enquadramento

Desenvolvimento de materiais inovadores, a partir de compósitos que incorporem na sua composição resíduos de casca de arroz, de borracha e de cortiça.

Este projeto surge no seguimento de uma candidatura do Aviso n.º 33/SI/2015, no âmbito do Programa Operacional Competitividade e Internacionalização apoiado pelo FEDER. O projeto insere-se na modalidade “Projetos em co-promoção” inscrita na tipologia “I&DT Empresas”, subalínea ii) da alínea a) do n.º 1 do artigo 5º do regulamento do SI I&DT.

Com este projeto, propõe-se o desenvolvimento e otimização de materiais compósitos que incorporem na sua composição resíduos de casca de arroz, de borracha e de cortiça. A seleção destes resíduos foi orientada, sobretudo, pelo objetivo principal do projeto, que se centra no desenvolvimento de materiais com aplicação em soluções construtivas que requerem um elevado desempenho ao nível do comportamento dinâmico, térmico e acústico.

No que diz respeito aos resíduos, pretende-se, combinar as melhores propriedades de cada um dos materiais. A casca de arroz é um resíduo abundante que, devido ao seu baixo valor nutricional, não tem aplicação na alimentação animal. A colocação em aterro e queima destes resíduos não constituem opções viáveis. A casca de arroz apresenta um elevado teor em sílica, que poderá causar problemas respiratórios (no caso de ser queimada) e danos ambientais, para além da contaminação de solos, devido à lenta degradação na natureza. No entanto, a casca de arroz pode ser valorizada e ter diversas aplicações, deixando de ser um resíduo agrícola e passando a ser um subproduto da cultura do arroz, com elevado potencial económico. O seu potencial para o projeto reside no facto deste material deter boas propriedades de isolamento térmico e acústico, derivada da sua estrutura morfológica.

A borracha reciclada, proveniente da valorização de pneus usados, resíduo igualmente abundante, tem sido aplicada com sucesso em diferentes tipos de soluções para pavimentos, evidenciando importantes propriedades relacionadas com a absorção de impacto, resistência à compressão e durabilidade. A borracha é caracterizada, ainda, por apresentar boas propriedades ao nível da rigidez dinâmica.

Os resíduos de cortiça são atualmente aplicados em diversas soluções construtivas, demonstrando boas propriedades ao nível do isolamento térmico e do desempenho acústico. A cortiça tem, ainda, a vantagem de ser um material 100% natural, com muito baixa energia incorporada e elevada durabilidade.

No que diz respeito ao tipo de soluções a desenvolver, foram identificadas, com base no conhecimento dos promotores desta candidatura, as seguintes aplicações: painéis para divisórias verticais, mantas resilientes para pavimentos, revestimentos para pavimentos, difusores acústicos e apoios antivibráteis para equipamentos.

Objetivo Principais

Numa época em que fragilidades económicas e ambientais colocam novos desafios ao sector produtivo, esta candidatura apresenta um projeto inovador cujo objetivo principal se centra no desenvolvimento de novos materiais compósitos com elevado desempenho dinâmico, térmico e acústico, produzidos a partir de resíduos de casca de arroz, borracha e cortiça.

Podemos, então, enumerar os seguintes objetivos para o projeto:

1. Criar novos materiais compósitos com elevado valor comercial e com elevado potencial de exportação;
2. Criar novos materiais compósitos, com elevado valor funcional ao nível do comportamento dinâmico, térmico e acústico;
3. Criar novos materiais compósitos sustentáveis, com uma elevada taxa de incorporação de resíduos e subprodutos provenientes de diferentes sectores produtivos.

Apesar de existirem diversos estudos sobre materiais compósitos com incorporação de resíduos e subprodutos, continua a existir uma enorme oportunidade tecnológica na otimização de novos materiais capazes de responder eficazmente e com elevados níveis de desempenho às exigências da arquitetura moderna e da construção sustentável. A incorporação de resíduos e subprodutos permitirá, neste sentido, não apenas desenvolver um produto mais ecológico, mas também otimizar o desempenho funcional do produto final, nomeadamente no que diz respeito ao desempenho dinâmico, térmico e acústico. Os produtos finais a desenvolver deverão, ainda, respeitar todas as normas aplicáveis, demonstrando propriedades mecânicas, de durabilidade e reação ao fogo, compatíveis com as aplicações pretendidas, bem como ser submetidos a uma cuidada análise de sustentabilidade.

Pretende-se, ainda, que os novos materiais compósitos satisfaçam diversos requisitos, nomeadamente que:

1. Respeitem as exigências impostas por normas de especificação de produto aplicáveis;
2. Apresentem um desempenho funcional pelo menos equivalente ao de produtos concorrentes (menos sustentáveis);
3. Constituam uma solução economicamente competitiva, permitindo apresentar vantagens mensuráveis em termos de características mecânicas, higrotérmicas, acústicas, de durabilidade, facilidade de produção e aplicação, que a tornem uma alternativa viável às soluções atualmente existentes no mercado;
4. Apresentem elevados níveis de durabilidade, garantindo a manutenção das suas propriedades ao longo do tempo de vida do produto.

Atividades do Projecto e Resultados Esperados

Definição de exigências funcionais e de sustentabilidade: Esta fase inclui uma análise detalhada da regulamentação aplicável, identificação dos diferentes mercados alvo e uma análise de sistemas concorrentes e das suas respetivas aplicações a nível internacional. Sobre este trabalho pretende-se fazer uma avaliação das características dos atuais sistemas construtivos de forma a definir novas exigências funcionais e de sustentabilidade que permitam que os produtos finais se destaquem no mercado global.

Estudos de formulação e modelação numérica: Esta fase contempla ensaios de caracterização preliminares das formulações, em termos de propriedades físico-químicas, mecânicas, higrotérmicas, acústicas e de durabilidade, e a modelação numérica de soluções integrando os materiais compósitos. No final deste processo, pretende-se dispor de formulações devidamente caracterizadas.

Desenvolvimento, otimização e prototipagem: Visto que o projeto tem como um dos seus principais objetivos o desenvolvimento de produtos que possam vir a integrar o catálogo de algumas das empresas envolvidas, a capacidade de adaptação do processo de fabrico aos produtos em desenvolvimento será um fator fundamental no sucesso do projeto. Concluído o processo de desenvolvimento dos materiais compósitos e criadas as condições necessárias para a sua produção, terá início a prototipagem dos novos produtos e a respetiva caracterização dos mesmos, em termos de desempenho físico-químico, mecânico, higrotérmico, acústico, de durabilidade e de reação ao fogo. Esta atividade ficará concluída com a avaliação da compatibilidade dos produtos desenvolvidos com diferentes soluções construtivas.

Validação: Nesta fase de validação incide sobre os materiais compósitos aplicados em diferentes soluções construtivas, utilizando para este efeito modelos experimentais. Sobre estas instalações de teste pretende-se realizar ensaios que permitam verificar o seu desempenho. Pretende-se que os sistemas desenvolvidos satisfaçam diversos requisitos, nomeadamente que respeite as exigências impostas pelas normas de especificação de produtos aplicáveis, que apresente um desempenho funcional equivalente ou superior ao dos produtos concorrentes, que seja comercialmente competitivo, apresentando vantagens em termos das suas características mecânicas, higrotérmicas, acústicas e de reação ao fogo, constituindo uma alternativa viável às soluções atualmente existentes no mercado e que apresente níveis de durabilidade que garantam a manutenção das suas propriedades ao longo da vida útil dos produtos. Nesta fase de validação, serão ainda realizados estudos de avaliação do ciclo de vida das soluções desenvolvidas, que permitam comparar o seu desempenho ambiental com produtos convencionais.

Divulgação de resultados: Este projeto englobará ainda um conjunto de ações de promoção e divulgação de resultados, que decorrerá ao longo do desenvolvimento do projeto. A divulgação será feita usando os canais habituais, através de publicações técnicas e científicas, de conferências e feiras tecnológicas, de website próprio e de conteúdos formadores de público e mercado. Para as feiras tecnológicas serão preparadas amostras de exposição e folhetos de divulgação técnica.

Principais Resultados Alcançados

T1.1 - Estudo da regulamentação aplicável em diferentes mercados alvo
Esta tarefa teve como principal objetivo a identificação, levantamento e análise da regulamentação aplicável no âmbito do projeto, abrangendo as especificações de produto e, também, os procedimentos de ensaio adequados.
O estudo das exigências regulamentares foi realizado tendo em consideração as aplicações previstas para os materiais compósitos em desenvolvimento e os mercados-alvo de potencial interesse comercial, resultando um conjunto de informações técnicas e científicas de suporte para as seguintes tarefas.
Esta tarefa encontra-se concluída.

T1.2 - Análise de sistemas concorrentes e respetivas aplicações a nível internacional
Esta tarefa teve como objetivo a realização de um levantamento e análise de produtos existentes no mercado, que possam concorrer com os produtos em desenvolvimento em termos de aplicação e de matérias-primas utilizadas. Foram, ainda, estudadas as soluções mais relevantes envolvendo outros materiais compósitos e outros resíduos com relevância para o âmbito do projeto.
Sobre a informação recolhida, foi realizado um trabalho de sistematização que permitiu comparar características técnicas e reconhecer limitações funcionais, antecipar riscos e, simultaneamente, identificar estratégias eficazes a aplicar no desenvolvimento e fabricação dos novos materiais compósitos.
Esta tarefa encontra-se concluída.

T1.3 - Definição de exigências funcionais e de sustentabilidade
Esta tarefa teve como principal objetivo a identificação, levantamento e análise das exigências funcionais e de sustentabilidade aplicáveis aos produtos a desenvolver no âmbito deste projeto. Dada a natureza dos diferentes tipos de aplicação previstos, as principais funções inerentes aos novos materiais compósitos são de ordem mecânica, higrotérmica e acústica. Pretende-se, igualmente, que as soluções desenvolvidas reúnam qualidade estética, bom desempenho ambiental, adequada durabilidade e comportamento ao fogo. Outras características importantes são a facilidade de fabrico e de aplicação que, inevitavelmente, têm influência na competitividade dos produtos no mercado.
Esta tarefa encontra-se concluída.

T2.1 - Estudo de formulações de materiais compósitos produzidos a partir de casca de arroz, integrando resíduos de borracha e de cortiça
Nesta tarefa foram realizados estudos de caracterização e de compatibilidade entre diferentes materiais a utilizar nas misturas, bem como uma análise térmica dos mesmos de forma a aferir o comportamento dos materiais à ação do calor. 
O estudo de formulações incluiu a análise de diversas variáveis, tais como a quantidade relativa de cada componente, a granulometria dos resíduos e diferentes tipos de resina compatível com o processo de fabrico, tendo ainda em consideração a contribuição destes fatores para o impacte ambiental das soluções finais. Foram, ainda, definidas formulações com diferentes massas volúmicas, de forma a avaliar a influência desta propriedade física. 
Neste estudo foram, ainda, consideradas amostras contendo diferentes tipos de aglomerante. Para cada um, foi realizado um estudo de libertação de compostos orgânicos voláteis.
Esta tarefa encontra-se concluída.

T2.2 - Ensaios de caracterização preliminares das várias formulações
Tendo em conta as exigências funcionais e de sustentabilidade identificadas, foram identificados os ensaios para caracterização dos produtos a desenvolver, tendo em conta fase do projeto e as diferentes formulações.
Foram realizados os seguintes ensaios de caracterização preliminares das várias formulações:

• Condutibilidade térmica
• Reação ao fogo (ensaio de ignitabilidade)
• Permeabilidade ao vapor de água
• Absorção de água
• Absorção sonora (tubo de impedância)
• Índice de isolamento a sons de percussão (ΔL)
• Resistência mecânica (corte)
• Resistência mecânica (compressão a 10% de deformação)
• Resistência mecânica tração perpendicular às faces
• Estabilidade dimensional
• Resistência biológica
• Libertação de compostos orgânicos voláteis (COVs)

Esta tarefa encontra-se concluída.

T2.3 - Modelação numérica de soluções construtivas integrando os materiais compósitos preparados
Com esta tarefa pretende-se realizar uma análise dos materiais compósitos através de métodos analíticos estudados isoladamente e em simulações do seu comportamento integrados em soluções construtivas. Assim, no âmbito desta tarefa estão a ser desenvolvidos modelos para a simulação do comportamento térmico e acústico dos novos materiais.
Com este objetivo, foram identificados os principais parâmetros a serem analisados e estudados procurando, sempre que possível, validar os modelos analíticos através de resultados experimentais.
A duração desta tarefa teve de ser estendida pela importância de continuar o acompanhamento da atividade 3, prevendo-se, no entanto, que esta tarefa seja concluída até ao final de outubro de 2018.

T3.1 - Desenvolvimento e otimização dos materiais compósitos formulados, com vista às diferentes aplicações
Ao longo desta tarefa, foram elaborados estudos de desenvolvimento e otimização para cada uma das aplicações previstas. Neste sentido, foram selecionadas as formulações mais adequadas para a fase de prototipagem, a partir da análise comparativa dos resultados dos ensaios preliminares. Este processo de desenvolvimento e otimização esteve, ainda, orientado pelas exigências funcionais identificadas nos estudos preliminares.
Esta tarefa encontra-se concluída.

T3.2 - Análise das condições de fabrico dos novos produtos
Visto que o projeto tem como um dos seus principais objetivos o desenvolvimento de produtos que possam vir a integrar os catálogos das empresas promotoras, a capacidade de adaptação do processo de fabrico aos produtos em desenvolvimento é um fator fundamental para o sucesso do projeto.
Assim, com esta tarefa procedeu-se a uma análise e levantamento que as implicações da introdução de novos materiais no processo de produção pudessem exigir na unidade de fabrico, nomeadamente no que diz respeito ao aprovisionamento, armazenamento, manuseamento e doseamento dos mesmos. Para além disso, foi também analisada a necessidade de adaptar/configurar a unidade de produção atualmente existente.
Esta tarefa encontra-se concluída.

T3.3 - Prototipagem dos novos produtos
No âmbito desta tarefa, estão a ser preparados modelos funcionais dos novos produtos com dimensões semelhantes às de aplicações reais, tendo esta tarefa a relevante função de estudar as condições de escala a nível do fabrico, do desempenho e da aplicação. Neste sentido, foram selecionadas e otimizadas as misturas tecnicamente mais adequadas.
Atualmente, estão a ser preparados modelos de teste em quantidade compatível com as necessidades de ensaio e de estudo de compatibilidade do estudo de aplicação/validação. Com esta objetivo, estão a ser preparados protótipos de revestimentos de pavimentos, de difusores acústicos e de apoios antivibráticos.
Esta tarefa encontra-se a decorrer dentro do previsto.

T3.4 - Caracterização física, mecânica, hidrotérmica, acústica e de durabilidade dos materiais compósitos preparados
O objetivo desta tarefa consiste em ensaiar os modelos de teste preparados na tarefa anterior no que diz respeito às suas propriedades físicas e mecânicas, considerando as principais aplicações selecionadas. Nesta fase do projeto, a determinação de propriedades dos novos materiais compósitos será efetuada através de metodologias distintas, de acordo com o tipo de aplicação previsto, respeitando a normalização em vigor aplicável a cada tipo de produto.
Os ensaios realizados no âmbito desta tarefa servirão para aferir a necessidade de afinar as características dos compósitos, de modo a poder otimizar algumas das propriedades, nomeadamente em termos de acabamentos. No final desta tarefa estarão caracterizadas as soluções que serão objeto de posterior validação.
Esta tarefa encontra-se a decorrer dentro do previsto.

T3.5 - Análise da compatibilidade dos produtos desenvolvidos com diferentes soluções construtivas
Esta tarefa tem como objetivo desenvolver estudos teórico-experimentais com vista à verificação da adequabilidade das novas soluções construtivas relativamente às diferentes aplicações previstas. No final desta tarefa prevê-se que estejam definidas especificações técnicas dos diferentes produtos (e.g. espessuras, geometrias, massas volúmicas, etc.).
Esta tarefa encontra-se a decorrer dentro do previsto.

T4.1 - Aplicação dos novos produtos em diferentes soluções construtivas
Com esta tarefa, pretende-se selecionar e conceber as soluções construtivas onde os produtos em desenvolvimento poderão ser integrados, com o objetivo de avaliar o comportamento dos produtos. A título de exemplo, no caso dos revestimentos de pavimentos, serão analisados diferentes tipos de suporte previstos, bem como definidos os diferentes tipos de acabamentos. A aplicação dos materiais compósitos em desenvolvimento em soluções construtivas permitirá, assim, avaliar e validar o comportamento dos novos materiais.
Esta tarefa encontra-se a decorrer dentro do previsto.

T4.2 - Avaliação do comportamento mecânico, higrotérmico, acústico e de durabilidade das soluções construtivas
A aplicação dos compósitos em soluções construtivas servirá para avaliar o desempenho dos produtos desenvolvidos enquanto solução aplicada. Serão realizados provetes, de acordo com dimensões normalizadas, sempre que aplicável, para realizar os ensaios mais adequados em ambiente laboratorial.
Esta tarefa encontra-se a decorrer dentro do previsto.

T4.3 - Estudos de avaliação de ciclo de vida das soluções desenvolvidas
Ao longo desta tarefa, decorre a preparação dos estudos de avaliação de ciclo de vida (ACV) das diferentes soluções, com o objetivo de identificar os principais impactes associados ao ciclo de vida destas e comparar os seus desempenhos ambientais com os de soluções concorrentes já presentes no mercado, sempre que possível. Esta tarefa está a ser realizada tendo por base a metodologia preconizada nas normas europeias.
Uma vez que as tarefas referentes às características técnicas dos produtos ainda não estão concluídas, estão ainda a ser recolhidos os dados de inventário necessários para a elaboração da análise de ciclo de vida.
Esta tarefa encontra-se a decorrer dentro do previsto.

Lista de Comunicações

Marques B., Tadeu A., Almeida J, Rama J. - “Thermal performance of sustainable building wall solutions using rice by-products”, Energy for Sustainability International Conference 2017 - Designing Cities & Communities for the Future. Funchal, Madeira, Portugal, February 8-10, 2017.

Marques B., Almeida J., de Brito J., Tadeu A. - “Impact of density on thermal conductivity of an insulation layer composed of rice by-products”, INternational CongRess on Engineering and Sustainability in the XXI cEntury - INCREaSE 2017. Faro, Algarve, Portugal, October 11-13, 2017.

Marques B., Tadeu A., Almeida J., de Brito J. – “Caracterização de propriedades térmicas de compósitos inovadores com casca de arroz e cortiça expandida”. CLBMCS 2018, Coimbra, Portugal. 14-16 Fevereiro 2018.

António J., Tadeu A., Marques B., Almeida J. - "Acoustic behaviour of new rice husk composites". Inter-Noise 2018, Chicago, Illinois, USA. 26-29 August 2018.

Lista de Publicações

António J., Tadeu A., Marques B., Almeida J.A.S., Pinto V. 2018 - “Application of rice husk in the development of new composite boards”. Construction and Building Materials, Vol. 176, pp.432-439.

Rafaela Silva (2017) "Caracterização de um compósito com casca de arroz e granulado de borracha". Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Civil, na área de Especialização em Construções, orientada pela Professora Doutora Julieta Maria Pires António e pelo Professor Doutor António José Barreto Tadeu.