Physio-Mechanical Performance of Sustainable Polymer Composites Incorporating Recycled Photovoltaic Panel Glass Powder for Semi-Structural Applications

Resumo Técnico: Desempenho Físico-Mecânico de Compósitos Poliméricos Sustentáveis Incorporando Pó de Vidro de Painéis Fotovoltaicos Reciclados

Problema
A rápida expansão das instalações solares fotovoltaicas (FV) projeta gerar volumes substanciais de resíduos de fim de vida, particularmente vidro, que constitui de 67% a 75% do peso de um painel FV. Embora o vidro seja um material rico em sílica com alto potencial de reutilização, seu descarte apresenta desafios ambientais significativos. Concomitantemente, a demanda por materiais estruturais leves e de alta resistência em setores como automotivo e construção impulsionou a adoção de compósitos de polímero reforçado com fibra de vidro (GFRP). No entanto, o aumento das propriedades mecânicas de compósitos de GFRP à base de epóxi muitas vezes requer cargas caras ou que consomem muita energia. Este estudo aborda o duplo desafio de gerir os resíduos de FV e melhorar o desempenho dos compósitos, investigando a viabilidade do uso de pó de vidro de descarte de painéis FV, processado mecanicamente, como uma carga particulada sustentável em laminados de GFRP à base de epóxi.

Metodologia
A pesquisa utilizou vidro de descarte coletado de painéis FV descartados, o qual foi processado via microfracionamento e moagem de bolas para produzir partículas finas. A distribuição do tamanho das partículas foi caracterizada por meio de análise de difração a laser.

Os laminados compósitos foram fabricados utilizando a técnica de laminação manual (hand lay-up) com fibras de vidro bidirecionais (300 gsm) e uma matriz de resina epóxi (LY-551). O estudo incorporou pó de vidro em percentagens de peso variáveis em relação à massa da resina: 0, 1,25, 2,5, 3,75 e 5 % em massa (wt.%). Antes da mistura, o pó de vidro foi submetido a ultrassom em acetona para remover impurezas, seguido de agitação magnética com a resina a 800 rpm. O endurecedor foi adicionado na proporção de 10:1, e os laminados foram curados sob uma pressão de 5 kN durante 24 horas à temperatura ambiente, seguidos de pós-cura a 80–90 °C por 3 horas.

O desempenho físico-mecânico foi avaliado através de:

• Testes Mecânicos: Ensaios de tração (ASTM D3039), flexão (ASTM D790) e impacto Izod (ASTM D256).
• Análise Microestrutural: Microscopia Eletrônica de Transmissão (TEM) para dispersão da carga e Microscopia Eletrônica de Varredura de Emissão de Campo (FESEM) para morfologia da superfície de fratura.
• Caracterização Estrutural e Química: Difração de Raios-X (XRD) para avaliar a cristalinidade e Espectroscopia de Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR) para verificar grupos funcionais e cura.
• Análise Térmica: Análise Termogravimétrica (TGA) para determinar a estabilidade térmica e a massa residual.

Principais Resultados
O estudo identificou uma carga de carga ótima de 2,5 % em massa, acima da qual as propriedades mecânicas declinaram devido à aglomeração de partículas e formação de microvazios.

• Desempenho Mecânico:

  • Resistência à Tração: Aumentou de 280,24 MPa (prístino) para um máximo de 326,43 MPa a 2,5 % em massa, representando uma melhoria de 16,48%.
  • Resistência à Flexão: Mostrou o aumento mais significativo, subindo de 311,02 MPa para 452,66 MPa (um aumento de 45,5%) a 2,5 % em massa.
  • Módulos: Tanto o módulo de tração quanto o de flexão aumentaram significativamente, com o módulo de flexão atingindo 11,32 GPa na carga ótima.
  • Resistência ao Impacto: Melhorou para 418,77 kJ/m² a 2,5 % em massa, indicando maior absorção de energia e resistência à propagação de trincas.
  • Degradação em Alta Carga: As propriedades diminuíram a 3,75 % e 5 % em massa devido à aglomeração de carga, que criou zonas de concentração de tensão e reduziu a adesão interfacial.

• Achados Microestruturais e Químicos:

  • Análise TEM: Confirmou a dispersão uniforme das partículas de vidro a 1,25 e 2,5 % em massa, enquanto concentrações mais elevadas (3,75 e 5 % em massa) exibiram aglomeração severa.
  • XRD: Revelou que todos os compósitos mantiveram uma estrutura predominantemente amorfa, caracterizada por um pico largo na faixa de 2θ de 18°–30°, atribuído ao vidro rico em sílica e à rede de epóxi.
  • FTIR: Verificou a presença de grupos funcionais chave (O-H, C-H, Si-O-Si) e confirmou a reticulação eficaz da matriz epóxi, com a amostra de 2,5 % em massa mostrando uma interação estável entre a carga e a matriz.
  • TGA: Demonstrou melhor estabilidade térmica, com o compósito de 2,5 % em massa retendo uma maior massa residual em temperaturas elevadas em comparação com a amostra prístina, atribuído às fases ricas em sílica termicamente estáveis.
  • FESEM: As superfícies de fratura do compósito de 2,5 % em massa mostraram forte adesão interfacial e dispersão uniforme da carga, enquanto as cargas mais elevadas exibiram defeitos como extração de fibras (fiber pull-out) e descolamento (debonding).

Significância e Alegações
Os autores alegam que a incorporação de pó de vidro de painéis FV reciclados em compósitos de GFRP é uma estratégia sustentável viável que aborda simultaneamente a gestão de resíduos e a melhoria do desempenho do material. O estudo conclui que, no carregamento ótimo de 2,5 % em massa, o pó de vidro reciclado atua como um reforço eficaz, melhorando as propriedades de tração, flexão e impacto através de mecanismos como deflexão de trinca, melhor transferência de tensão e aumento da rigidez da matriz.

O artigo posiciona as amostras poliméricas desenvolvidas como materiais significativos adequados para aplicações semiestruturais e outros contextos de engenharia. Os autores sugerem que a utilização bem-sucedida deste fluxo de resíduos pode apoiar o desenvolvimento de estruturas compósitas leves, de baixo custo e ecologicamente corretas. O estudo não propõe implementação comercial imediata, mas estabelece a viabilidade técnica e as métricas de desempenho necessárias para tais aplicações, observando que pesquisas futuras poderiam explorar a hibridização com outras fibras (carbono, aramida, naturais) para aumentar ainda mais o desempenho.