Was wäre, wenn glasfaserverstärkte Polymerverbundwerkstoffe (GFK) am Ende ihrer Nutzungsdauer kompostierbar wären, zusätzlich zu den jahrzehntelang bewährten Vorteilen wie Gewichtsreduzierung, Festigkeit und Steifigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Langlebigkeit? Genau das ist, kurz gesagt, der Reiz der Technologie von ABM Composite.
Bioaktives Glas, hochfeste Fasern
Das 2014 gegründete Unternehmen Arctic Biomaterials Oy (Tampere, Finnland) hat eine biologisch abbaubare Glasfaser aus sogenanntem bioaktivem Glas entwickelt. Ari Rosling, Forschungs- und Entwicklungsleiter bei ABM Composite, beschreibt dieses als „eine spezielle, in den 1960er Jahren entwickelte Rezeptur, die es ermöglicht, dass sich das Glas unter physiologischen Bedingungen abbaut. Im Körper zerfällt das Glas in seine Bestandteile, die Mineralsalze, wobei Natrium, Magnesium, Phosphate usw. freigesetzt werden. Dadurch wird ein Zustand geschaffen, der das Knochenwachstum anregt.“
„Es hat ähnliche Eigenschaften wiealkalifreie Glasfaser (E-Glas)„Dieses bioaktive Glas ist jedoch schwierig herzustellen und zu Fasern zu verarbeiten, und wurde bisher nur als Pulver oder Kitt verwendet“, sagte Rosling. „Soweit wir wissen, war ABM Composite das erste Unternehmen, das daraus hochfeste Glasfasern im industriellen Maßstab herstellte, und wir verwenden diese ArcBiox X4/5-Glasfasern nun zur Verstärkung verschiedener Kunststoffe, darunter auch biologisch abbaubare Polymere.“
Medizinische Implantate
Die Region Tampere, zwei Autostunden nördlich von Helsinki, Finnland, ist seit den 1980er Jahren ein Zentrum für biobasierte, biologisch abbaubare Polymere für medizinische Anwendungen. Rosling erklärt: „Eines der ersten kommerziell erhältlichen Implantate aus diesen Materialien wurde in Tampere hergestellt, und so nahm ABM Composite seinen Anfang! Das ist heute unser Geschäftsbereich Medizintechnik.“
„Es gibt viele biologisch abbaubare, bioresorbierbare Polymere für Implantate“, fährt er fort, „doch ihre mechanischen Eigenschaften weichen stark von denen des natürlichen Knochens ab. Wir konnten diese biologisch abbaubaren Polymere so verbessern, dass das Implantat die gleiche Festigkeit wie natürlicher Knochen aufweist.“ Rosling merkte an, dass medizinische ArcBiox-Glasfasern mit dem Zusatz von ABM die mechanischen Eigenschaften biologisch abbaubarer PLLA-Polymere um 200 bis 500 % verbessern können.
Dadurch bieten die Implantate von ABM Composite eine höhere Leistungsfähigkeit als Implantate aus unverstärkten Polymeren. Gleichzeitig sind sie bioresorbierbar und fördern die Knochenbildung und das Knochenwachstum. ABM Composite verwendet zudem automatisierte Faser-/Strangplatzierungstechniken, um eine optimale Faserausrichtung zu gewährleisten. Dazu gehört das Verlegen von Fasern über die gesamte Länge des Implantats sowie das Platzieren zusätzlicher Fasern an potenziell schwachen Stellen.
Haushalts- und technische Anwendungen
Mit seinem wachsenden Geschäftsbereich Medizintechnik erkennt ABM Composite, dass biobasierte und biologisch abbaubare Polymere auch für Küchenutensilien, Besteck und andere Haushaltsgegenstände eingesetzt werden können. „Diese biologisch abbaubaren Polymere weisen im Vergleich zu erdölbasierten Kunststoffen typischerweise schlechtere mechanische Eigenschaften auf“, so Rosling. „Wir können diese Materialien jedoch mit unseren biologisch abbaubaren Glasfasern verstärken und sie so zu einer nahezu perfekten Alternative zu herkömmlichen, erdölbasierten Kunststoffen für ein breites Spektrum technischer Anwendungen machen.“
Infolgedessen hat ABM Composite seinen technischen Geschäftsbereich ausgebaut, der nun 60 Mitarbeiter beschäftigt. „Wir bieten nachhaltigere Lösungen für das Produktlebensende“, erklärt Rosling. „Unser Wertversprechen besteht darin, diese biologisch abbaubaren Verbundwerkstoffe in industriellen Kompostieranlagen zu verarbeiten, wo sie zu Erde werden.“ Herkömmliches E-Glas ist inert und zersetzt sich in diesen Kompostieranlagen nicht.
ArcBiox Faserverbundwerkstoffe
ABM Composite hat verschiedene Formen von ArcBiox X4/5-Glasfasern für Verbundwerkstoffanwendungen entwickelt, vonKurzfasernund Spritzgussmassen zuEndlosfasernFür Verfahren wie Textil- und Pultrusionsformen. Die ArcBiox BSGF-Produktreihe kombiniert biologisch abbaubare Glasfasern mit biobasierten Polyesterharzen und ist in Standardqualitäten sowie in ArcBiox 5-Qualitäten erhältlich, die für Anwendungen mit Lebensmittelkontakt zugelassen sind.
ABM Composite hat zudem verschiedene biologisch abbaubare und biobasierte Polymere untersucht, darunter Polymilchsäure (PLA), PLLA und Polybutylensuccinat (PBS). Das folgende Diagramm zeigt, wie X4/5-Glasfasern die Leistung verbessern und mit herkömmlichen glasfaserverstärkten Polymeren wie Polypropylen (PP) und sogar Polyamid 6 (PA6) konkurrieren können.
ABM Composite hat zudem verschiedene biologisch abbaubare und biobasierte Polymere untersucht, darunter Polymilchsäure (PLA), PLLA und Polybutylensuccinat (PBS). Das folgende Diagramm zeigt, wie X4/5-Glasfasern die Leistung verbessern und so mit herkömmlichen glasfaserverstärkten Polymeren wie Polypropylen (PP) und sogar Polyamid 6 (PA6) konkurrieren können.
Haltbarkeit und Kompostierbarkeit
Wenn diese Verbundwerkstoffe biologisch abbaubar sind, wie lange halten sie dann? „Unsere X4/5-Glasfasern lösen sich nicht wie Zucker innerhalb von fünf Minuten oder über Nacht auf, und obwohl sich ihre Eigenschaften mit der Zeit verschlechtern, ist dies nicht so auffällig“, erklärt Rosling. „Für einen effektiven Abbau benötigen wir über einen längeren Zeitraum erhöhte Temperaturen und Luftfeuchtigkeit, wie sie in natürlichen Lebensräumen oder in industriellen Komposthaufen vorkommen. Wir haben beispielsweise Becher und Schüsseln aus unserem ArcBiox BSGF-Material getestet, und diese überstanden bis zu 200 Spülgänge in der Spülmaschine, ohne an Funktionalität einzubüßen. Es kommt zwar zu einer gewissen Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften, aber nicht in einem Ausmaß, dass die Becher unsicher zu verwenden wären.“
Es ist jedoch wichtig, dass diese Verbundwerkstoffe am Ende ihrer Nutzungsdauer die für die Kompostierung erforderlichen Normen erfüllen. ABM Composite hat eine Reihe von Tests durchgeführt, um die Einhaltung dieser Normen nachzuweisen. „Gemäß den ISO-Normen (für industrielle Kompostierung) sollte die biologische Abbaubarkeit innerhalb von sechs Monaten und die Zersetzung innerhalb von drei Monaten bzw. 90 Tagen erfolgen“, erklärt Rosling. „Zersetzung bedeutet, dass die Testprobe bzw. das Produkt in die Biomasse oder den Kompost gegeben wird. Nach 90 Tagen prüft ein Techniker die Biomasse mithilfe eines Siebs. Nach zwölf Wochen sollten mindestens 90 Prozent des Produkts ein 2 mm × 2 mm Sieb passieren können.“
Die biologische Abbaubarkeit wird bestimmt, indem das Ausgangsmaterial zu Pulver vermahlen und die nach 90 Tagen freigesetzte Gesamtmenge an CO₂ gemessen wird. Dies gibt Aufschluss darüber, wie viel des Kohlenstoffgehalts des Kompostierungsprozesses in Wasser, Biomasse und CO₂ umgewandelt wird. „Um den industriellen Kompostierungstest zu bestehen, müssen 90 Prozent der theoretisch angestrebten 100 Prozent CO₂ aus dem Kompostierungsprozess (bezogen auf den Kohlenstoffgehalt) erreicht werden.“
Rosling erklärt, dass ABM Composite die Anforderungen an Zersetzung und biologische Abbaubarkeit erfüllt habe und Tests gezeigt hätten, dass die Zugabe der X4-Glasfaser die biologische Abbaubarkeit sogar verbessert (siehe Tabelle oben), die beispielsweise bei einer unverstärkten PLA-Mischung nur 78 % beträgt. Er erläutert: „Durch die Zugabe unserer 30 % biologisch abbaubaren Glasfasern konnte die biologische Abbaubarkeit jedoch auf 94 % gesteigert werden, während die Abbauraten weiterhin gut blieben.“
Infolgedessen hat ABM Composite nachgewiesen, dass seine Materialien gemäß EN 13432 als kompostierbar zertifiziert werden können. Zu den Tests, die seine Materialien bisher bestanden haben, gehören ISO 14855-1 für die endgültige aerobe biologische Abbaubarkeit von Materialien unter kontrollierten Kompostierungsbedingungen, ISO 16929 für die aerobe kontrollierte Zersetzung, ISO DIN EN 13432 für chemische Anforderungen und OECD 208 für Phytotoxizitätstests, ISO DIN EN 13432.
CO2 wird bei der Kompostierung freigesetzt
Beim Kompostieren wird zwar CO₂ freigesetzt, ein Teil verbleibt jedoch im Boden und wird von Pflanzen aufgenommen. Kompostierung wird seit Jahrzehnten erforscht, sowohl als industrieller Prozess als auch als Nachbearbeitungsverfahren, das weniger CO₂ freisetzt als andere Entsorgungsalternativen. Kompostierung gilt weiterhin als umweltfreundliches Verfahren mit reduziertem CO₂-Fußabdruck.
Die Ökotoxizitätsprüfung umfasst die Untersuchung der bei der Kompostierung entstehenden Biomasse sowie der mit dieser Biomasse gezogenen Pflanzen. „Damit soll sichergestellt werden, dass die Kompostierung dieser Produkte den wachsenden Pflanzen nicht schadet“, so Rosling. Darüber hinaus hat ABM Composite nachgewiesen, dass seine Materialien die Anforderungen an die biologische Abbaubarkeit unter Heimkompostierungsbedingungen erfüllen, die ebenfalls einen Abbaugrad von 90 % vorschreiben, allerdings über einen Zeitraum von 12 Monaten, im Vergleich zu einem kürzeren Zeitraum bei der industriellen Kompostierung.
Industrielle Anwendungen, Produktion, Kosten und zukünftiges Wachstum
Die Werkstoffe von ABM Composite finden in zahlreichen kommerziellen Anwendungen Verwendung, weitere Details können jedoch aus Vertraulichkeitsgründen nicht genannt werden. „Wir bestellen unsere Werkstoffe für Anwendungen wie Tassen, Untertassen, Teller, Besteck und Lebensmittelbehälter“, erklärt Rosling. „Sie dienen aber auch als Alternative zu erdölbasierten Kunststoffen in Kosmetikbehältern und großen Haushaltsgegenständen. Seit Kurzem werden unsere Werkstoffe auch für die Herstellung von Komponenten in großen Industrieanlagen eingesetzt, die alle zwei bis zwölf Wochen ausgetauscht werden müssen. Diese Unternehmen haben erkannt, dass sich durch die Verwendung unserer X4-Glasfaserverstärkung diese mechanischen Teile mit der erforderlichen Verschleißfestigkeit herstellen lassen und zudem nach Gebrauch kompostierbar sind. Dies ist eine attraktive Lösung für die nahe Zukunft, da diese Unternehmen vor der Herausforderung stehen, neue Umwelt- und CO₂-Emissionsvorschriften zu erfüllen.“
Rosling fügte hinzu: „Es besteht auch ein wachsendes Interesse daran, unsere Endlosfasern in verschiedenen Arten von Textilien und Vliesstoffen zur Herstellung von Strukturbauteilen für die Bauindustrie einzusetzen. Wir beobachten außerdem ein Interesse an der Verwendung unserer biologisch abbaubaren Fasern in Kombination mit biobasierten, aber nicht biologisch abbaubaren PA- oder PP-Materialien sowie inerten Duroplasten.“
Aktuell ist X4/5-Glasfaser teurer als E-Glas, doch die Produktionsmengen sind auch relativ gering. ABM Composite verfolgt daher verschiedene Möglichkeiten, die Anwendungsbereiche zu erweitern und die Produktion mit steigender Nachfrage auf 20.000 Tonnen pro Jahr zu steigern, was auch zur Kostensenkung beitragen könnte. Dennoch merkt Rosling an, dass die Kosten für die Einhaltung von Nachhaltigkeits- und neuen regulatorischen Anforderungen in vielen Fällen nicht ausreichend berücksichtigt wurden. Gleichzeitig wächst die Dringlichkeit, den Planeten zu retten. „Die Gesellschaft drängt bereits auf mehr biobasierte Produkte“, erklärt er. „Es gibt viele Anreize, Recyclingtechnologien voranzutreiben. Die Welt muss hier schneller handeln, und ich denke, die Gesellschaft wird ihren Drang nach biobasierten Produkten in Zukunft noch verstärken.“
Ökobilanz und Nachhaltigkeitsvorteil
Laut Rosling reduzieren die Materialien von ABM Composite die Treibhausgasemissionen und den Verbrauch nicht erneuerbarer Energien um 50 bis 60 Prozent pro Kilogramm. „Wir verwenden die Environmental Footprint Database 2.0, den akkreditierten GaBi-Datensatz und führen Ökobilanzberechnungen (Life Cycle Analysis, LCA) für unsere Produkte gemäß der in ISO 14040 und ISO 14044 beschriebenen Methodik durch.“
„Aktuell ist für die Verbrennung oder Pyrolyse von Verbundwerkstoffen am Ende ihres Lebenszyklus viel Energie erforderlich. Zerkleinern und Kompostieren sind daher attraktive Alternativen und gehören zu unseren wichtigsten Vorteilen. Wir bieten eine neue Art der Wiederverwertbarkeit“, erklärt Rosling. „Unser Glasfasermaterial besteht aus natürlichen Mineralien, die bereits im Boden vorkommen. Warum also nicht ausgediente Verbundwerkstoffe kompostieren oder Fasern aus nicht abbaubaren Verbundwerkstoffen nach der Verbrennung auflösen und als Dünger verwenden? Diese Recyclingoption ist weltweit von großem Interesse.“
Shanghai Orisen New Material Technology Co., Ltd
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Veröffentlichungsdatum: 27. Mai 2024