Entä jos lasikuitulujitepolymeerikomposiitit (GFRP) voitaisiin kompostoida niiden käyttöiän päätyttyä, vuosikymmenten ajan todistettujen painonpudotuksen, lujuuden ja jäykkyyden, korroosionkestävyyden ja kestävyyden etujen lisäksi? Siinä pähkinänkuoressa piilee ABM Composite -teknologian vetovoima.
Bioaktiivinen lasi, erittäin lujat kuidut
Vuonna 2014 perustettu Arctic Biomaterials Oy (Tampere, Suomi) on kehittänyt biohajoavan lasikuidun, joka on valmistettu niin sanotusta bioaktiivisesta lasista. ABM Composite -yrityksen tutkimus- ja kehitysjohtaja Ari Rosling kuvailee tätä ”1960-luvulla kehitetyksi erityiseksi koostumukseksi, jonka avulla lasi voi hajota fysiologisissa olosuhteissa. Kehoon joutuessaan lasi hajoaa mineraalisuoloikseen vapauttaen natriumia, magnesiumia, fosfaatteja jne., mikä luo luuston kasvua stimuloivan tilan.”
"Sillä on samanlaisia ominaisuuksia kuinalkaliton lasikuitu (E-lasi).” Rosling sanoi: ”Mutta tätä bioaktiivista lasia on vaikea valmistaa ja vetää kuiduiksi, ja tähän asti sitä on käytetty vain jauheena tai kitinä. Tietojemme mukaan ABM Composite oli ensimmäinen yritys, joka valmisti siitä erittäin lujia lasikuituja teollisessa mittakaavassa, ja nyt käytämme näitä ArcBiox X4/5 -lasikuituja erilaisten muovien, mukaan lukien biohajoavien polymeerien, vahvistamiseen.”
Lääketieteelliset implantit
Tampereen seutu, kaksi tuntia Helsingistä pohjoiseen, on ollut biopohjaisten biohajoavien polymeerien keskus lääketieteellisissä sovelluksissa 1980-luvulta lähtien. Rosling kuvailee: ”Yksi ensimmäisistä kaupallisesti saatavilla olevista näistä materiaaleista valmistetuista implanteista valmistettiin Tampereella, ja niin ABM Composite sai alkunsa! Se on nyt lääketieteellinen liiketoimintayksikkömme.”
”Implantteihin on olemassa monia biohajoavia, bioabsorboituvia polymeerejä”, hän jatkaa, ”mutta niiden mekaaniset ominaisuudet ovat kaukana luonnollisesta luusta. Pystyimme parantamaan näitä biohajoavia polymeerejä antaaksemme implantille saman lujuuden kuin luonnolliselle luulle”. Rosling huomautti, että lääketieteellisen luokan ArcBiox-lasikuidut, joihin on lisätty ABM:ää, voivat parantaa biohajoavien PLLA-polymeerien mekaanisia ominaisuuksia 200–500 prosenttia.
Tämän seurauksena ABM Composite -implantit tarjoavat paremman suorituskyvyn kuin vahvistamattomista polymeereistä valmistetut implantit, ja ne ovat myös bioabsorboituvia ja edistävät luun muodostumista ja kasvua. ABM Composite käyttää myös automatisoituja kuitujen/säikeiden sijoitustekniikoita optimaalisen kuitujen suuntautumisen varmistamiseksi, mukaan lukien kuitujen asettaminen koko implantin pituudelta sekä lisäkuitujen asettaminen mahdollisesti heikkoihin kohtiin.
Kotitalous- ja tekniset sovellukset
Kasvavan lääketieteellisen liiketoimintayksikkönsä myötä ABM Composite tunnistaa, että biopohjaisia ja biohajoavia polymeerejä voidaan käyttää myös keittiötarvikkeissa, aterimissa ja muissa kotitaloustuotteissa. ”Näillä biohajoavilla polymeereillä on tyypillisesti heikot mekaaniset ominaisuudet verrattuna öljypohjaisiin muoveihin”, Rosling sanoi. ”Mutta voimme vahvistaa näitä materiaaleja biohajoavilla lasikuiduillamme, mikä tekee niistä käytännössä hyvän vaihtoehdon fossiilipohjaisille kaupallisille muoveille monissa teknisissä sovelluksissa.”
Tämän seurauksena ABM Composite on kasvattanut teknistä liiketoimintayksikköään, joka työllistää nyt 60 henkilöä. ”Tarjoamme kestävämpiä käytöstäpoistoratkaisuja.” Rosling sanoo: ”Arvolupauksemme on siirtää nämä biohajoavat komposiitit teolliseen kompostointiin, jossa ne muuttuvat maaksi.” Perinteinen E-lasi on inerttiä eikä hajoa näissä kompostointilaitoksissa.
ArcBiox-kuitukomposiitit
ABM Composite on kehittänyt erilaisia ArcBiox X4/5 -lasikuituja komposiittisovelluksiin, alkaenlyhyiksi leikatut kuidutja ruiskuvaluyhdisteitäjatkuvat kuidutesimerkiksi tekstiili- ja pultruusiomuovaukseen. ArcBiox BSGF -valikoima yhdistää biohajoavia lasikuituja biopohjaisiin polyesterihartseihin, ja sitä on saatavana yleisteknologian laatuina sekä elintarvikkeiden kanssa kosketuksiin hyväksyttyinä ArcBiox 5 -laatuina.
ABM Composite on tutkinut myös useita biohajoavia ja biopohjaisia polymeerejä, kuten polymaitohappoa (PLA), PLLA:ta ja polybutyleenisuksinaattia (PBS). Alla oleva kaavio osoittaa, kuinka X4/5-lasikuidut voivat parantaa suorituskykyään kilpaillakseen tavallisten lasikuitulujitettujen polymeerien, kuten polypropeenin (PP) ja jopa polyamidi 6:n (PA6), kanssa.
ABM Composite on tutkinut myös useita biohajoavia ja biopohjaisia polymeerejä, kuten polymaitohappoa (PLA), PLLA:ta ja polybutyleenisuksinaattia (PBS). Alla oleva kaavio osoittaa, kuinka X4/5-lasikuidut voivat parantaa suorituskykyään kilpaillakseen tavallisten lasikuitulujitettujen polymeerien, kuten polypropeenin (PP) ja jopa polyamidi 6:n (PA6), kanssa.
Kestävyys ja kompostoitavuus
Jos nämä komposiitit ovat biohajoavia, kuinka kauan ne kestävät? ”X4/5-lasikuitumme eivät liukene viidessä minuutissa tai yön yli kuten sokeri, ja vaikka niiden ominaisuudet heikkenevät ajan myötä, se ei ole yhtä havaittavaa.” Rosling sanoo: ”Tehokkaan hajoamisen edellytyksenä on korkeat lämpötilat ja kosteus pitkien ajanjaksojen ajan, kuten on havaittu in vivo tai teollisissa kompostikasoissa. Esimerkiksi testasimme ArcBiox BSGF -materiaalistamme valmistettuja kuppeja ja kulhoja, ja ne kestivät jopa 200 pesukertaa menettämättä toimivuuttaan. Mekaaniset ominaisuudet heikkenevät jonkin verran, mutta eivät niin paljon, että kuppien käyttö olisi vaarallista.”
On kuitenkin tärkeää, että kun nämä komposiitit hävitetään käyttöikänsä lopussa, ne täyttävät kompostoinnille asetetut standardivaatimukset, ja ABM Composite on tehnyt sarjan testejä osoittaakseen, että se täyttää nämä standardit. ”ISO-standardien (teollisen kompostoinnin) mukaan biohajoamisen tulisi tapahtua 6 kuukauden kuluessa ja hajoamisen 3 kuukauden / 90 päivän kuluessa”. Rosling sanoo: ”Hajoaminen tarkoittaa testinäytteen/tuotteen asettamista biomassaan tai kompostiin. 90 päivän kuluttua teknikko tutkii biomassaa seulan avulla. 12 viikon kuluttua vähintään 90 prosentin tuotteesta tulisi läpäistä 2 mm × 2 mm:n seula.”
Biohajoavuus määritetään jauhamalla ensiömateriaali jauheeksi ja mittaamalla vapautuvan hiilidioksidin kokonaismäärä 90 päivän kuluttua. Tämä arvioi, kuinka paljon kompostointiprosessin hiilipitoisuudesta muuttuu vedeksi, biomassaksi ja hiilidioksidiksi. ”Teollisen kompostointitestin läpäisemiseksi on saavutettava 90 prosenttia kompostointiprosessin teoreettisesta 100 prosentin hiilidioksidipäästöistä (hiilipitoisuuden perusteella)”.
Roslingin mukaan ABM Composite on täyttänyt hajoamis- ja biohajoavuusvaatimukset, ja testit ovat osoittaneet, että sen X4-lasikuidun lisääminen itse asiassa parantaa biohajoavuutta (katso yllä oleva taulukko), joka on esimerkiksi vahvistamattomalla PLA-seoksella vain 78 %. Hän selittää: ”Kuitenkin, kun 30 % biohajoavia lasikuitujamme lisättiin, biohajoavuus kasvoi 94 prosenttiin, kun taas hajoamisnopeudet pysyivät hyvinä.”
Tämän seurauksena ABM Composite on osoittanut, että sen materiaalit voidaan sertifioida kompostoitaviksi standardin EN 13432 mukaisesti. Sen materiaalien tähän mennessä läpäisemiin testeihin kuuluvat ISO 14855-1 materiaalien lopulliselle aerobiselle biohajoavaisuudelle kontrolloiduissa kompostointiolosuhteissa, ISO 16929 aerobiselle kontrolloidulle hajoamiselle, ISO DIN EN 13432 kemiallisille vaatimuksille ja OECD 208 fytotoksisuustesteille, ISO DIN EN 13432.
Kompostoinnissa vapautuva CO2
Kompostoinnissa hiilidioksidia kyllä vapautuu, mutta osa siitä jää maaperään, jossa kasvit hyödyntävät sen. Kompostoimista on tutkittu vuosikymmeniä sekä teollisena prosessina että kompostoinnin jälkeisenä prosessina, joka vapauttaa vähemmän hiilidioksidia kuin muut jätteenkäsittelyvaihtoehdot, ja kompostointia pidetään edelleen ympäristöystävällisenä ja hiilijalanjälkeä pienentävänä prosessina.
Ekotoksisuustesteissä testataan kompostointiprosessin aikana syntyvää biomassaa ja sen kanssa kasvatettuja kasveja. ”Tämä varmistaa, ettei näiden tuotteiden kompostointi vahingoita kasvavia kasveja”, Rosling sanoi. Lisäksi ABM Composite on osoittanut, että sen materiaalit täyttävät biohajoavuusvaatimukset kotikompostointiolosuhteissa, jotka myös edellyttävät 90 %:n biohajoamista, mutta 12 kuukauden aikana verrattuna lyhyempään teollisen kompostoinnin aikaan.
Teolliset sovellukset, tuotanto, kustannukset ja tuleva kasvu
ABM Composite -yhtiön materiaaleja käytetään useissa kaupallisissa sovelluksissa, mutta enempää ei voida paljastaa salassapitosopimusten vuoksi. ”Tilaamme materiaalimme sopimaan esimerkiksi kuppeihin, lautasiin, aterimiin ja elintarvikkeiden säilytysastioihin”, Rosling sanoo, ”mutta niitä käytetään myös vaihtoehtona öljypohjaisille muoveille kosmetiikkapakkauksissa ja suurissa kotitaloustavaroissa. Viime aikoina materiaalejamme on valittu käytettäväksi suurten teollisuuskoneiden osien valmistuksessa, jotka on vaihdettava 2–12 viikon välein. Nämä yritykset ovat havainneet, että käyttämällä X4-lasikuituvahvikettamme nämä mekaaniset osat voidaan valmistaa vaaditulla kulutuskestävyydellä ja ne ovat myös kompostoitavia käytön jälkeen. Tämä on houkutteleva ratkaisu lähitulevaisuudessa, sillä näiden yritysten haasteena on uusien ympäristö- ja hiilidioksidipäästömääräysten täyttäminen.”
Rosling lisäsi: ”Myös jatkuvakuitujemme käyttö erilaisissa kankaissa ja kuitukankaissa rakennusteollisuuden rakenneosien valmistuksessa herättää kasvavaa kiinnostusta. Näemme myös kiinnostusta biohajoavien kuitujemme käyttöön biopohjaisten mutta biohajoamattomien PA:n tai PP:n ja inerttien lämpökovettuvien materiaalien kanssa.”
Tällä hetkellä X4/5-lasikuitu on kalliimpaa kuin E-lasi, mutta tuotantomäärät ovat myös suhteellisen pieniä, ja ABM Composite tutkii useita mahdollisuuksia laajentaa sovelluksia ja helpottaa tuotannon nostamista 20 000 tonniin vuodessa kysynnän kasvaessa, mikä voisi myös auttaa vähentämään kustannuksia. Rosling sanoo kuitenkin, että monissa tapauksissa kestävän kehityksen ja uusien sääntelyvaatimusten täyttämiseen liittyviä kustannuksia ei ole täysin otettu huomioon. Samaan aikaan planeetan pelastamisen kiireellisyys kasvaa. "Yhteiskunta ajaa jo nyt enemmän biopohjaisia tuotteita." Hän selittää: "Kierrätysteknologioiden edistämiseksi on paljon kannustimia, ja maailman on toimittava nopeammin tässä asiassa, ja uskon, että yhteiskunta vain lisää biopohjaisten tuotteiden edistämistä tulevaisuudessa."
LCA ja kestävän kehityksen edut
Roslingin mukaan ABM Composite -materiaalit vähentävät kasvihuonekaasupäästöjä ja uusiutumattoman energian käyttöä 50–60 prosenttia kilogrammaa kohden. ”Käytämme tuotteillemme Environmental Footprint Database 2.0 -tietokantaa, akkreditoitua GaBi-tietokantaa ja LCA-laskelmia (Life Cycle Analysis) ISO 14040- ja ISO 14044 -standardeissa esitettyjen menetelmien mukaisesti.”
”Tällä hetkellä, kun komposiitit saavuttavat elinkaarensa pään, komposiittijätteen ja elinkaaren päättymistuotteiden polttamiseen tai pyrolysointiin tarvitaan paljon energiaa. Silppuaminen ja kompostointi ovat houkutteleva vaihtoehto ja ehdottomasti yksi tärkeimmistä tarjoamistamme arvolupauksista. Lisäksi tarjoamme uudenlaista kierrätettävyyttä.” Rosling sanoo: ”Lasikuidumme on valmistettu luonnollisista mineraalikomponenteista, joita on jo maaperässä. Miksi siis ei kompostoitaisi elinkaaren päättymiskomposiittikomponentteja tai liuottaisi kuituja hajoamattomista komposiiteista polton jälkeen ja käyttäisi niitä lannoitteena? Tämä on kierrätysvaihtoehto, jolla on todella maailmanlaajuista kiinnostusta.”
Shanghai Orisenin uusi materiaaliteknologia Co., Ltd.
M: +86 18683776368 (myös WhatsAppissa)
Puh: +86 08383990499
Email: grahamjin@jhcomposites.com
Osoite: NO.398 New Green Road Xinbang Town Songjiangin alue, Shanghai
Julkaisun aika: 27.5.2024