수십 년간 입증된 경량화, 강도 및 강성, 내식성 및 내구성이라는 장점 외에도, 유리섬유 강화 폴리머(GFRP) 복합재료가 수명이 다한 후에도 퇴비화될 수 있다면 어떨까요? 바로 이것이 ABM Composites 기술의 매력입니다.
생체활성 유리, 고강도 섬유
2014년에 설립된 Arctic Biomaterials Oy(핀란드 탐페레 소재)는 소위 생체 활성 유리로 만든 생분해성 유리 섬유를 개발했습니다. ABM Composite의 연구 개발 책임자인 Ari Rosling은 이 생체 활성 유리에 대해 "1960년대에 개발된 특수 배합으로, 생리적 조건에서 유리가 분해될 수 있도록 합니다. 체내에 투입되면 유리는 구성 미네랄 염으로 분해되어 나트륨, 마그네슘, 인산염 등을 방출함으로써 뼈 성장을 촉진하는 환경을 조성합니다."라고 설명합니다.
“이것은 다음과 유사한 특성을 가지고 있습니다…”알칼리 무함유 유리 섬유(E-유리)로슬링은 "하지만 이 생체 활성 유리는 제조 및 섬유화 과정이 어려워 지금까지는 분말이나 퍼티 형태로만 사용되어 왔습니다. 저희가 아는 한, ABM Composite는 이 생체 활성 유리로 고강도 유리 섬유를 산업 규모로 생산한 최초의 회사이며, 현재 저희는 ArcBiox X4/5 유리 섬유를 사용하여 생분해성 고분자를 포함한 다양한 종류의 플라스틱을 강화하고 있습니다."라고 말했습니다.
의료용 임플란트
핀란드 헬싱키에서 북쪽으로 두 시간 거리에 있는 탐페레 지역은 1980년대부터 의료용 생분해성 고분자 기반 제품의 중심지였습니다. 로슬링은 "이러한 소재로 만든 최초의 상용 임플란트 중 하나가 탐페레에서 생산되었고, 이것이 바로 현재 저희 의료 사업부인 ABM Composite의 시작이었습니다!"라고 설명합니다.
"생분해성 및 생체흡수성 임플란트용 고분자는 많지만, 기계적 특성은 천연 뼈와는 거리가 멉니다."라고 그는 말을 이었다. "우리는 이러한 생분해성 고분자를 개선하여 임플란트에 천연 뼈와 동일한 강도를 부여할 수 있었습니다." 로슬링은 의료용 등급의 ArcBiox 유리 섬유에 ABM을 첨가하면 생분해성 PLLA 고분자의 기계적 특성을 200%에서 500%까지 향상시킬 수 있다고 언급했다.
결과적으로 ABM Composite의 임플란트는 강화되지 않은 폴리머로 만든 임플란트보다 우수한 성능을 제공하는 동시에 생체 흡수성이 뛰어나고 뼈 형성과 성장을 촉진합니다. 또한 ABM Composite는 자동화된 섬유/가닥 배치 기술을 사용하여 최적의 섬유 방향을 보장하는데, 여기에는 임플란트 전체 길이에 걸쳐 섬유를 배치하는 것은 물론 잠재적으로 약한 부분에 추가 섬유를 배치하는 것도 포함됩니다.
가정용 및 기술용 애플리케이션
의료 사업 부문을 확장하고 있는 ABM Composite는 바이오 기반 및 생분해성 폴리머가 주방용품, 식기류 및 기타 가정용품에도 사용될 수 있음을 인지하고 있습니다. 로슬링은 "이러한 생분해성 폴리머는 일반적으로 석유 기반 플라스틱에 비해 기계적 특성이 떨어집니다."라고 말하며, "하지만 당사의 생분해성 유리 섬유로 이러한 소재를 강화하면 다양한 기술 분야에서 화석 연료 기반 상용 플라스틱을 대체할 수 있는 훌륭한 대안이 될 수 있습니다."라고 덧붙였습니다.
그 결과, ABM Composite는 기술 사업부를 확장하여 현재 60명의 직원을 고용하고 있습니다. 로슬링 대표는 "우리는 더욱 지속 가능한 수명 주기 종료(EOL) 솔루션을 제공합니다."라며, "우리의 핵심 가치는 이러한 생분해성 복합재를 산업용 퇴비화 시설에 투입하여 토양으로 분해되도록 하는 것입니다."라고 말했습니다. 기존의 E-유리는 불활성 물질이어서 이러한 퇴비화 시설에서 분해되지 않습니다.
ArcBiox 섬유 복합재
ABM Composite는 복합재 응용 분야를 위해 다양한 형태의 ArcBiox X4/5 유리 섬유를 개발했습니다.짧게 자른 섬유그리고 사출 성형 화합물연속 섬유섬유 및 압출 성형과 같은 공정에 사용됩니다. ArcBiox BSGF 제품군은 생분해성 유리 섬유와 바이오 기반 폴리에스터 수지를 결합한 제품으로, 일반 기술 등급과 식품 접촉 용도에 승인된 ArcBiox 5 등급으로 제공됩니다.
ABM Composite는 또한 폴리락트산(PLA), PLLA 및 폴리부틸렌 숙시네이트(PBS)를 포함한 다양한 생분해성 및 바이오 기반 폴리머를 연구해 왔습니다. 아래 그림은 X4/5 유리 섬유가 폴리프로필렌(PP) 및 폴리아미드 6(PA6)과 같은 표준 유리 섬유 강화 폴리머와 경쟁할 수 있도록 성능을 향상시키는 방법을 보여줍니다.
ABM Composite는 또한 폴리락트산(PLA), PLLA 및 폴리부틸렌 숙시네이트(PBS)를 포함한 다양한 생분해성 및 바이오 기반 폴리머를 연구해 왔습니다. 아래 그림은 X4/5 유리 섬유가 폴리프로필렌(PP) 및 폴리아미드 6(PA6)과 같은 표준 유리 섬유 강화 폴리머와 경쟁할 수 있도록 성능을 향상시키는 방법을 보여줍니다.
내구성 및 퇴비화 가능성
이러한 복합 소재가 생분해성이라면 얼마나 오래 지속될까요? 로슬링은 "저희 X4/5 유리 섬유는 설탕처럼 5분이나 하룻밤 만에 녹지 않습니다. 시간이 지남에 따라 특성이 저하되기는 하지만, 그 변화는 눈에 띄게 나타나지 않을 것입니다."라고 말합니다. "효과적으로 분해되려면 생체 내 환경이나 산업용 퇴비 더미에서처럼 장기간 고온다습한 환경이 필요합니다. 예를 들어, 저희 ArcBiox BSGF 소재로 만든 컵과 그릇을 테스트한 결과, 기능 손실 없이 최대 200회 식기세척기 세척을 견딜 수 있었습니다. 기계적 특성은 다소 저하되지만, 컵을 사용하기에 안전하지 않을 정도는 아닙니다."
하지만 이러한 복합재료가 수명을 다한 후 폐기될 때 퇴비화에 필요한 기준 요건을 충족하는 것이 중요하며, ABM Composite는 이러한 기준을 충족함을 입증하기 위해 일련의 테스트를 수행했습니다. 로슬링은 "ISO 표준(산업용 퇴비화 기준)에 따르면 생분해는 6개월 이내에, 분해는 3개월/90일 이내에 이루어져야 합니다."라고 설명하며, "분해란 시험 샘플/제품을 바이오매스 또는 퇴비에 넣는 것을 의미합니다. 90일 후, 기술자는 체를 사용하여 바이오매스를 검사합니다. 12주 후에는 제품의 최소 90%가 2mm × 2mm 체를 통과할 수 있어야 합니다."라고 덧붙였습니다.
생분해성은 원료를 분말로 분쇄한 후 90일 동안 방출되는 총 이산화탄소량을 측정하여 결정됩니다. 이는 퇴비화 과정에서 탄소 함량 중 얼마나 많은 양이 물, 바이오매스 및 이산화탄소로 전환되는지를 평가하는 기준입니다. "산업용 퇴비화 시험을 통과하려면 퇴비화 과정에서 이론적으로 100% 달성해야 하는 이산화탄소 배출량의 90%를 (탄소 함량을 기준으로) 달성해야 합니다."
로슬링은 ABM Composite가 분해 및 생분해 요건을 충족했으며, 시험 결과 X4 유리 섬유를 첨가하면 생분해성이 실제로 향상되는 것으로 나타났다고 밝혔습니다(위 표 참조). 예를 들어, 강화되지 않은 PLA 블렌드의 생분해성은 78%에 불과합니다. 그는 "하지만 당사의 30% 생분해성 유리 섬유를 첨가했을 때 생분해성은 94%까지 증가했으며, 분해 속도 또한 양호한 수준을 유지했습니다."라고 설명했습니다.
그 결과, ABM Composite는 자사 제품이 EN 13432에 따라 퇴비화 가능 인증을 받을 수 있음을 입증했습니다. 현재까지 자사 제품이 통과한 시험에는 통제된 퇴비화 조건 하에서의 최종 호기성 생분해성을 평가하는 ISO 14855-1, 호기성 제어 분해를 평가하는 ISO 16929, 화학적 요구사항을 평가하는 ISO DIN EN 13432, 식물 독성 시험을 평가하는 OECD 208 등이 있습니다.
퇴비화 과정에서 방출되는 CO2
퇴비화 과정에서 이산화탄소가 방출되기는 하지만, 일부는 토양에 남아 식물에 의해 이용됩니다. 퇴비화는 산업 공정으로서뿐만 아니라 다른 폐기물 처리 방식보다 이산화탄소 배출량이 적은 후처리 공정으로서도 수십 년간 연구되어 왔으며, 여전히 환경 친화적이고 탄소 발자국을 줄이는 공정으로 여겨지고 있습니다.
생태독성 평가는 퇴비화 과정에서 생성되는 바이오매스와 이 바이오매스를 이용해 재배되는 식물을 검사하는 것을 포함합니다. 로슬링은 "이는 퇴비화 과정에서 생성되는 물질이 자라는 식물에 해를 끼치지 않는지 확인하기 위한 것입니다."라고 말했습니다. 또한, ABM Composite는 자사 제품이 가정용 퇴비화 조건에서 요구되는 생분해 요건(90% 생분해)을 충족한다는 것을 입증했습니다. 가정용 퇴비화는 산업용 퇴비화보다 짧은 12개월의 기간이 소요됩니다.
산업적 응용, 생산, 비용 및 향후 성장 전망
ABM Composite의 소재는 다양한 상업적 용도로 사용되고 있지만, 기밀 유지 계약으로 인해 자세한 내용은 공개할 수 없습니다. 로슬링 대표는 "컵, 접시, 식기류, 식품 보관 용기 등 다양한 용도에 맞춰 소재를 주문 제작하고 있습니다."라고 말하며, "이 소재는 화장품 용기나 대형 가정용품에 사용되는 석유 기반 플라스틱의 대체재로도 활용되고 있습니다. 최근에는 2~12주마다 교체해야 하는 대형 산업 기계 설비 부품 제조에도 당사의 소재가 채택되고 있습니다. 이러한 기업들은 당사의 X4 유리섬유 보강재를 사용하면 필요한 내마모성을 갖춘 기계 부품을 제작할 수 있을 뿐 아니라 사용 후 퇴비화도 가능하다는 점을 인지하고 있습니다. 이는 새로운 환경 및 CO2 배출 규제를 충족해야 하는 기업들이 직면한 과제를 해결하는 데 있어 매력적인 솔루션입니다."라고 덧붙였습니다.
로슬링은 또한 "건설 산업용 구조 부품을 만들기 위해 다양한 종류의 직물과 부직포에 당사의 연속 섬유를 사용하는 것에 대한 관심이 점점 커지고 있습니다. 또한 생분해성 섬유를 바이오 기반이지만 생분해되지 않는 PA 또는 PP 및 불활성 열경화성 소재와 함께 사용하는 것에 대한 관심도 높아지고 있습니다."라고 덧붙였습니다.
현재 X4/5 유리섬유는 E-유리보다 가격이 높지만 생산량이 상대적으로 적습니다. ABM Composite는 수요 증가에 따라 적용 분야를 확대하고 연간 2만 톤까지 생산량을 늘릴 수 있는 다양한 기회를 모색하고 있으며, 이는 비용 절감에도 도움이 될 수 있습니다. 그럼에도 불구하고 로슬링은 지속가능성과 새로운 규제 요건을 충족하는 데 드는 비용이 충분히 고려되지 않은 경우가 많다고 지적합니다. 한편, 지구를 구해야 할 필요성은 점점 더 커지고 있습니다. 그는 "사회는 이미 바이오 기반 제품을 더 많이 요구하고 있습니다."라며, "재활용 기술을 발전시켜야 할 동기가 많으며, 세계는 이 방향으로 더 빠르게 나아가야 합니다. 앞으로 사회는 바이오 기반 제품에 대한 요구를 더욱 강화할 것이라고 생각합니다."라고 설명합니다.
LCA 및 지속가능성 이점
로슬링은 ABM Composite의 소재가 킬로그램당 온실가스 배출량과 비재생 에너지 사용량을 50~60% 줄여준다고 말합니다. "저희는 ISO 14040 및 ISO 14044에 명시된 방법론에 따라 제품에 대한 환경 발자국 데이터베이스 2.0, 공인된 GaBi 데이터 세트, 그리고 LCA(수명주기 분석) 계산을 활용합니다."
“현재 복합재료가 수명을 다하면 복합재료 폐기물과 수명이 다한 제품을 소각하거나 열분해하는 데 많은 에너지가 소모됩니다. 파쇄 및 퇴비화는 매력적인 대안이며, 이는 저희가 제공하는 핵심 가치 제안 중 하나입니다. 저희는 새로운 유형의 재활용 방식을 제시하고 있습니다.” 로슬링은 “저희의 유리섬유는 토양에 이미 존재하는 천연 광물 성분으로 만들어집니다. 그렇다면 수명이 다한 복합재료 부품을 퇴비화하거나, 분해되지 않는 복합재료를 소각한 후 섬유를 용해시켜 비료로 사용하는 것은 어떨까요? 이는 전 세계적으로 큰 관심을 불러일으킬 수 있는 재활용 방식입니다.”라고 말합니다.
상하이 오리센 신소재 기술 유한회사
전화번호: +86 18683776368 (왓츠앱 가능)
전화: +86 08383990499
Email: grahamjin@jhcomposites.com
주소: 상하이시 쑹장구 신방진 신녹로 398번지
게시 시간: 2024년 5월 27일