Dentro das aplicações não biológicas, o mercado de filtros é uma aplicação líder das nanofibras eletrofiadas e se destaca por ter produtos já disponíveis no mercado, geralmente fabricados nos EUA e em escala laboratorial no Brasil, que utilizam a tecnologia de eletrofiação. 

"As nanofibras têm maior impacto porque possuem maior eficiência na captura de partículas de filtro de ar devido à redução do diâmetro da fibra nos filtros para ar ou gás", salienta Maria Helena Ambrosio Zanin, pesquisadora no Núcleo de Bionanomanufatura do Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo (IPT) e dona de duas patentes sobre tecnologia de produção de nanofibras.

Segundo ela, patentes e artigos referentes à técnica de eletrofiação na produção de nanofibras para aplicação em filtração são frequentes. "Há uma tendência recente, principalmente ao se observar depósitos de patentes, do uso de nanofibras conjugadas com materiais convencionais para utilização em materiais filtrantes, buscando oferecer mais resistência mecânica às nanofibras poliméricas usadas nesta aplicação", revela a pesquisadora do IPT.

Dentro desse mercado, Maria Helena cita a Donaldson Inc., localizada em Minneapolis, Minnesota, nos Estados Unidos, que se destaca por ter investido na tecnologia de nanofibras aplicada à filtração há pelo menos mais de duas décadas. Nos Estados Unidos também, outra tendência atual e futura é o desenvolvimento de filtros do tipo grau Hepa (High Efficiency Particulate Arrestance) para proteção/segurança e para usos em área militar. 

A nanofibra tem sido usada nos mercados de turbinas a gás, algumas aplicações de filtragem de ar de transporte e no Controle de Poluição do Ar (APC), em particular onde a pulsação de retorno é necessária na aplicação. "A camada de nanofibra retém contaminantes na superfície da mídia, quando a mídia é pulsada de volta, os contaminantes são liberados do filtro. Isso prolonga muito a vida útil do filtro", analisa Crawford Arrington, gerente de produto da Ahlstrom Munksjo. Ele comenta que, às vezes, a nanofibra é usada simplesmente para alcançar uma maior eficiência do que se pode conseguir usando celulose sozinha.

"Nossos materiais são hidrofóbicos e oleofílicos, isso significa que a água é repelida na superfície enquanto o óleo atravessa e penetra nos materiais", explica Hudson Zanin, professor PhD do Carbon Sci-Tech Labs da Faculdade de Engenharia Elétrica e Computação da Unicamp. Ele diz que é muito útil para os filtros, com um nanofio, pode-se fazer uma trama, um tecido, no qual a água é repelida e o óleo atravessa. 

Existem alguns grupos de pesquisa sobre nanofibras e, principalmente, no setor petrolífero, área que dispõe de muitos recursos. "A criação de fios de fibras de tecidos com nanotubos é muito desejada, porque, além da resistência mecânica muito forte que esses materiais têm, se consegue utilizar esses tecidos para casos de acidentes com petróleo", ressalta o prof. Zanin. 

Segundo o prof. Zanin, as propriedades dos nanotubos são mais ou menos as mesmas, a diferença é que os nanotubos são ainda mais leves que as nanofibras, apesar de ambos serem superleves. Além disso, um tubo é oco e uma fibra não é oca. Devido às suas excelentes propriedades de condução térmica, mecânica e elétrica, os nanotubos de carbono proporcionam diversas melhorias nas estruturas dos materiais, podendo ser usados em inúmeras aplicações. Os cientistas vêm se debruçando em estudos sobre os nanotubos de carbono, que apresentam diferenciais não vistos antes em outros materiais.

Segundo estes especialistas, o mercado brasileiro de nanofibras ainda engatinha e as aplicações ainda são muito restritas. Não há nada consolidado, nenhuma técnica consolidada. "Pode haver algumas aplicações menores em alguns centros de geradores de energia de turbina a gás", cita Arrington.

"Até onde eu sei, aqui no Brasil não há produtos disponíveis nas prateleiras produzidos via processo de eletrofiação. Existem muitos pesquisadores conduzindo pesquisas e produzindo nanofibras para diferentes aplicações, mas em escala laboratorial e um número pequeno de pequenas empresas oferecendo projeto tecnológico voltado para esta tecnologia", aponta Maria Helena. Segundo ela, o IPT, junto ao núcleo de Bionanomanufatura, oferece parceria para desenvolvimento tecnológico de nanofibras para diferentes aplicações, incluindo filtração.

Futuras aplicações 

As maiores possibilidades de uso e aplicação ou aprimoramento no futuro das nanofibras, conforme Maria Helena, seriam para filtração em tratamento de água, ar e processos de filtração médica, envolvendo materiais biológicos e processos farmacêuticos devido a sua alta performance para filtração. 

"No futuro, porque ainda se encontram em desenvolvimento, estamos procurando potenciais aplicações de filtração de líquidos", revela Arrington. Além disso, há um trabalho sendo feito para novas aplicações, mas o processo de propriedade intelectual (patentes etc.) ainda não está completo.

"Até onde eu sei nenhum filtro de nanotubo está no mercado. Essas aplicações que comentei são aplicações que devem acontecer num futuro não tão distante", salienta o prof. Zanin. Ele revela que estão montando uma startup dentro da Unicamp para a produção desses materiais e aplicações diversas, mas não neste ano, só no ano que vem.

A eletrofiação é uma técnica de produção de fibras com diâmetros em escala nanométrica (nanofibras). "O processo em si é tipicamente chamado, em inglês, de eletrospinning, que tem sido um conceito usado por longo tempo, mas apenas recentemente está decolando comercialmente", aponta Arrington. 

As fibras dividem-se em fibras tecidas e não tecidas. "As nanofibras são fibras  não tecidas produzidas pelo processo de eletrofiação, que, apesar de parecer ser uma técnica recente, é uma tecnologia antiga que foi redescoberta", explica a pesquisadora do IPT. Versátil, tem a vantagem de fazer uma combinação de materiais, segundo ela, como, por exemplo, compósitos de polímero e elemento inorgânico, com possibilidade de controle de processo e potencial para escalonamento de processo. "Este último tem crescido muito a cada dia por meio de ofertas de empresas fabricantes de máquinas com aumento da capacidade de processamento, o que contribuirá no futuro com o crescimento das nanofibras no mercado", prevê Maria Helena.

Existem atualmente diferentes configurações para o processo de eletrofiação. Diversos polímeros são usados para a produção de nanofibras, dependendo da aplicação e processo, podendo ser sintéticos e naturais. Para a produção de nanofibras filtrantes, não biológicas, podem ser utilizados poliuretano, PVDF, náilon, poliamidas, poliacrilonitrilas, acetato de celulose etc.

"O processo básico é que o polímero é dissolvido em um solvente, em seguida, flui através de pequenos orifícios. Esta solução de polímero e solvente é carregada eletricamente, então, o meio de aplicação passou pelos pequenos orifícios. Atrás da mídia, há uma placa aterrada que atrai o material de carga eletricamente e a fibra é depositada na mídia filtrante", descreve Arrington. 

O processo de eletrofiação consiste de uma fonte de alta tensão, uma seringa com capilar metálico e um coletor metálico, podendo ser cilíndrico ou plano, mas aterrado. Maria Helena explica todo esse fluxo. "A fonte de alta tensão carrega a solução polimérica através do contato com o capilar metálico, o qual foi alimentado anteriormente por uma solução polimérica solubilizada em um determinado solvente, normalmente, solvente orgânico", diz.

A solução, então, é ejetada para o coletor de polaridade oposta. "Inicialmente, a gota da solução ao ser ejetada do capilar muda a sua forma geométrica até atingir a forma de um cone, conhecido como cone de Taylor, o qual é ejetado quando o campo elétrico atinge um valor crítico e as forças elétricas vencem a tensão superficial e o jato é depositado na superfície do coletor, formando uma micro ou nanofibra não tecida", complementa a pesquisadora do IPT.

O processo de fabricação é o mesmo há algum tempo. O prof. Zanin explica sobre o nanotubo de carbono. "É preciso uma partícula catalisadora obtida do ferro ou do níquel com uma fonte de carbono em condições ideais, por exemplo, 700 graus, quando se jogam todos esses vapores dentro de um forno. Com isso, forma-se um nanotubo de carbono, que pode ser um emaranhado como se fosse um espaguete, vários fios enrolados e emaranhados, ou ser todo retinho, alinhado como o fio de cabelo humano comprido", diz. Pode-se usar técnicas de eletrofiação ou rotofiação para transformar esses fiozinhos num fio e depois criar uma roupa ou tecido.

Existem vários tipos e tamanhos de nanofibras. "Podem variar o polímero utilizado, a geometria/morfologia e a porosidade", explica Maria Helena. O prof. Zanin cita alguns exemplos: "Pode ser feita de fibra de algodão, fibra de carbono, como as fibras dos nanotubos de carbono, pode ser feito ainda um fio metálico de cobre, de tungstênio, são diversos tipos de fibras", diz. 

Os tamanhos das fibras variam da escala micrométrica à nanométrica, o que depende do tipo de filtração ao qual se destina. "As fibras normalmente são de cerca de 250 nanômetros e formam uma fibra redonda contínua", afirma Arrington. Segundo Zanin, as nanofibras vão de alguns nanômetros de diâmetro até 200 nanômetros, de 0 a 200 nanômetros, e alguns milímetros de comprimento. "A razão-aspecto, que é a relação entre o diâmetro e o cumprimento, é muito grande para esses materiais", avalia o prof. Zanin. E ele faz a conta: "O diâmetro de 30 nm e o comprimento de 1 mm dá uma razão-aspecto – comprimento dividido pelo diâmetro – de aproximadamente 33 mil vezes. O comprimento é 33 mil vezes maior do que o diâmetro", calcula.

Segundo Maria Helena, as nanofibras oferecem propriedades únicas e características superiores às das membranas convencionais utilizando o processo relativamente simples de eletrofiação. "Uma grande área superficial, razão área-volume, boa interconectividade dos poros e um grande potencial para incorporar ativos químicos ou promover a funcionalidade nas nanofibras", conta. O prof. Zanin diz que o material e a produção das nanofibras são baratos. "A questão é produzir em grandes quantidades. Hoje, fazemos a escala laboratorial, onde o custo é bem reduzido. Seria possível fazer filtros bem interessantes", projeta.

Na opinião de Arrington, o custo é definitivamente maior. E ele explica por quê. "O custo da matéria-prima é quase nada, pois nem se consegue ver a pequena quantidade de nanofibra na superfície da mídia. No entanto, os custos fixos são elevados devido à natureza lenta da produção deste produto. Portanto, o custo do produto é maior", esclarece. Entretanto, ele cita um exemplo que, na aplicação da turbina de gás, onde se evita o desligamento do equipamento devido a uma vida mais longa, começa-se a obter rapidamente seu retorno sobre o investimento. "No Controle de Poluição do Ar (APC), onde se está protegendo a vida das pessoas com meios de maior eficiência, é claro que o retorno é incalculável", conclui. 

Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo (IPT): www.ipt.br

Unicamp: www.unicamp.br