유리 섬유 강화 폴리머(GFRP) 복합재를 수십 년간 입증된 무게 감소, 강도 및 강성, 내식성, 내구성 등의 이점 외에도 수명이 다한 후 퇴비화할 수 있다면 어떨까요? 바로 이것이 ABM Composite 기술의 매력입니다.
생체활성 유리, 고강도 섬유
2014년에 설립된 Arctic Biomaterials Oy(핀란드 탐페레)는 소위 '생체 활성 유리'로 만든 생분해성 유리 섬유를 개발했습니다. ABM Composite의 R&D 책임자인 아리 로슬링은 이 유리 섬유를 "1960년대에 개발된 특수 제형으로, 생리적 조건에서 유리가 분해될 수 있도록 합니다. 체내에 흡수되면 유리가 구성 무기염으로 분해되어 나트륨, 마그네슘, 인산염 등을 방출하여 뼈 성장을 촉진하는 환경을 조성합니다."라고 설명합니다.
“이것은 다음과 유사한 속성을 가지고 있습니다.무알칼리 유리섬유(E-glass)로슬링은 "하지만 이 생체 활성 유리는 제조 및 섬유화에 어려움이 있어 지금까지는 분말이나 퍼티 형태로만 사용되어 왔습니다. 저희가 아는 한, ABM Composite는 이 유리 섬유를 산업적 규모로 고강도 유리 섬유를 생산한 최초의 회사이며, 현재 이 ArcBiox X4/5 유리 섬유를 생분해성 폴리머를 포함한 다양한 플라스틱의 강화에 사용하고 있습니다."라고 말했습니다.
의료용 임플란트
핀란드 헬싱키에서 북쪽으로 두 시간 거리에 있는 탐페레 지역은 1980년대부터 의료용 바이오 기반 생분해성 폴리머의 중심지였습니다. 로슬링은 "이러한 소재로 제작된 최초의 상용 임플란트 중 하나가 탐페레에서 생산되었고, 이것이 바로 ABM Composite의 시작입니다! ABM Composite는 현재 당사의 의료 사업부입니다."라고 설명합니다.
"임플란트용 생분해성, 생흡수성 폴리머는 많습니다."라고 그는 덧붙였습니다. "하지만 이러한 폴리머의 기계적 특성은 천연 뼈와는 거리가 멉니다. 저희는 이러한 생분해성 폴리머를 강화하여 임플란트가 천연 뼈와 동일한 강도를 갖도록 했습니다." 로슬링은 의료용 ArcBiox 유리 섬유에 ABM을 첨가하면 생분해성 PLLA 폴리머의 기계적 특성을 200%에서 500%까지 향상시킬 수 있다고 언급했습니다.
결과적으로 ABM Composite 임플란트는 비강화 폴리머로 제작된 임플란트보다 더 뛰어난 성능을 제공하는 동시에 생체 흡수성을 갖추고 있어 골 형성 및 성장을 촉진합니다. ABM Composite는 또한 자동화된 섬유/가닥 배치 기술을 사용하여 최적의 섬유 배향을 보장합니다. 임플란트 전체 길이에 걸쳐 섬유를 배치하는 것은 물론, 잠재적으로 취약한 부위에 추가 섬유를 배치하는 것도 포함됩니다.
가정용 및 기술용 응용 분야
ABM Composite는 의료 사업부를 성장시키면서 바이오 기반 및 생분해성 폴리머가 주방용품, 식기류 및 기타 가정용품에도 사용될 수 있다는 점을 인지하고 있습니다. 로슬링은 "이러한 생분해성 폴리머는 일반적으로 석유 기반 플라스틱에 비해 기계적 물성이 낮습니다."라고 말하며, "하지만 저희는 생분해성 유리 섬유로 이러한 소재를 강화할 수 있어 다양한 기술 분야에서 화석 기반 상업용 플라스틱을 대체할 수 있는 훌륭한 대안이 될 수 있습니다."라고 덧붙였습니다.
그 결과, ABM Composite는 기술 사업부를 확대하여 현재 60명의 직원을 고용하고 있습니다. "저희는 더욱 지속 가능한 수명 종료(EOL) 솔루션을 제공합니다."라고 Rosling은 말합니다. "저희의 가치 제안은 이러한 생분해성 복합재를 산업용 퇴비화 작업에 투입하여 토양으로 전환하는 것입니다." 기존의 E-glass는 불활성이어서 이러한 퇴비화 시설에서 분해되지 않습니다.
ArcBiox 섬유 복합재
ABM Composite는 복합재 응용 분야를 위한 다양한 형태의 ArcBiox X4/5 유리 섬유를 개발했습니다.단축 섬유및 사출 성형 화합물연속 섬유섬유 및 풀트루전 성형과 같은 공정에 적합합니다. ArcBiox BSGF 제품군은 생분해성 유리 섬유와 바이오 기반 폴리에스터 수지를 결합하여 일반 기술 등급과 식품 접촉 용도에 사용하도록 승인된 ArcBiox 5 등급으로 제공됩니다.
ABM Composite는 폴리락틱산(PLA), PLLA, 폴리부틸렌 숙시네이트(PBS)를 포함한 다양한 생분해성 및 바이오 기반 폴리머를 연구했습니다. 아래 그림은 X4/5 유리 섬유가 폴리프로필렌(PP)이나 폴리아미드 6(PA6)과 같은 표준 유리 섬유 강화 폴리머와 경쟁할 수 있을 만큼 성능을 향상시킬 수 있는 방법을 보여줍니다.
ABM Composite는 폴리락틱산(PLA), PLLA, 폴리부틸렌 숙시네이트(PBS)를 포함한 다양한 생분해성 및 바이오 기반 폴리머를 연구했습니다. 아래 그림은 X4/5 유리 섬유가 폴리프로필렌(PP)이나 폴리아미드 6(PA6)과 같은 표준 유리 섬유 강화 폴리머와 경쟁할 수 있을 만큼 성능을 향상시킬 수 있는 방법을 보여줍니다.
내구성 및 퇴비화성
이 복합소재가 생분해성이라면 얼마나 오래 지속될까요? "저희 X4/5 유리 섬유는 설탕처럼 5분이나 하룻밤 사이에 녹지 않습니다. 시간이 지남에 따라 분해되더라도 눈에 띄지는 않습니다."라고 로슬링은 말합니다. "효과적으로 분해되려면 생체 내 실험이나 산업용 퇴비 더미에서처럼 장기간 높은 온도와 습도가 필요합니다. 예를 들어, ArcBiox BSGF 소재로 만든 컵과 그릇을 테스트한 결과, 최대 200회의 식기 세척에도 기능 저하 없이 견딜 수 있었습니다. 기계적 특성이 다소 저하되지만, 컵을 사용하기에 안전하지 않을 정도는 아닙니다."
그러나 이러한 복합재가 수명이 다하여 폐기될 때 퇴비화에 필요한 표준 요건을 충족하는 것이 중요하며, ABM Composite는 이러한 기준을 충족함을 입증하기 위해 일련의 시험을 수행했습니다. "ISO 표준(산업용 퇴비화)에 따르면, 생분해는 6개월 이내에, 분해는 3개월/90일 이내에 이루어져야 합니다." 로슬링은 "분해는 시험 샘플/제품을 바이오매스 또는 퇴비에 넣는 것을 의미합니다. 90일 후에는 기술자가 체를 사용하여 바이오매스를 검사합니다. 12주 후에는 제품의 최소 90%가 2mm x 2mm 체를 통과해야 합니다."라고 말합니다.
생분해율은 원재료를 분말로 분쇄하고 90일 후 방출되는 총 CO2량을 측정하여 결정합니다. 이는 퇴비화 과정에서 발생하는 탄소 함량 중 얼마나 많은 부분이 물, 바이오매스, 그리고 CO2로 전환되는지를 평가합니다. "산업용 퇴비화 시험을 통과하려면 퇴비화 과정에서 발생하는 이론적 CO2 100%의 90%(탄소 함량 기준)를 달성해야 합니다."
로슬링은 ABM Composite가 분해 및 생분해 요건을 충족했으며, X4 유리 섬유를 첨가하면 생분해성이 실제로 향상되는 것으로 시험 결과 나타났다고 밝혔습니다(위 표 참조). 예를 들어 비강화 PLA 블렌드의 생분해율은 78%에 불과합니다. 그는 "하지만 30% 생분해성 유리 섬유를 첨가했을 때 생분해율은 94%로 증가했지만, 분해율은 양호한 수준을 유지했습니다."라고 설명했습니다.
그 결과, ABM Composite는 자사 소재가 EN 13432에 따라 퇴비화 가능 인증을 받을 수 있음을 입증했습니다. 현재까지 ABM Composite 소재가 통과한 시험으로는 통제된 퇴비화 조건에서 최종 호기성 생분해성을 평가하는 ISO 14855-1, 호기성 제어 분해를 평가하는 ISO 16929, 화학적 요구 사항을 평가하는 ISO DIN EN 13432, 식물 독성 시험을 평가하는 OECD 208, ISO DIN EN 13432 등이 있습니다.
퇴비화 중 방출되는 CO2
퇴비화 과정에서 이산화탄소가 배출되지만, 일부는 토양에 남아 식물에 의해 활용됩니다. 퇴비화는 수십 년 동안 산업 공정 및 다른 폐기물 처리 방식보다 이산화탄소 배출량이 적은 퇴비화 후 처리 공정으로 연구되어 왔으며, 여전히 환경 친화적이고 탄소 발자국을 줄이는 공정으로 여겨지고 있습니다.
생태독성 시험은 퇴비화 과정에서 생성된 바이오매스와 이 바이오매스로 재배된 식물을 시험하는 것을 포함합니다. 로슬링은 "이것은 이러한 제품의 퇴비화가 생장하는 식물에 해를 끼치지 않는지 확인하기 위한 것입니다."라고 말했습니다. 또한, ABM Composite는 자사 소재가 가정용 퇴비화 조건에서 생분해 요건을 충족함을 입증했습니다. 가정용 퇴비화 조건에서도 90%의 생분해가 필요하지만, 산업용 퇴비화보다 12개월 이상 더 오래 걸립니다.
산업 응용 분야, 생산, 비용 및 미래 성장
ABM Composite의 소재는 다양한 상업적 용도에 사용되지만, 기밀 유지 계약으로 인해 자세한 내용은 공개할 수 없습니다. 로슬링은 "컵, 접시, 수저, 식품 보관 용기 등 용도에 맞는 소재를 주문 제작합니다."라고 말하며, "화장품 용기나 대형 가정용품에 사용되는 석유 기반 플라스틱의 대체재로도 사용됩니다. 최근에는 2~12주마다 교체해야 하는 대형 산업 기계 설비의 부품 제조에도 ABM Composite 소재가 사용되고 있습니다. 이들 기업은 당사의 X4 유리 섬유 강화재를 사용하면 필요한 내마모성을 확보하고 사용 후 퇴비화도 가능하다는 것을 인지했습니다. 이는 새로운 환경 및 CO2 배출 규정을 준수해야 하는 기업들이 직면한 가까운 미래에 매력적인 솔루션이 될 것입니다."라고 덧붙였습니다.
로슬링은 "건설 산업의 구조적 구성 요소를 만들기 위해 다양한 종류의 직물 및 부직포에 당사의 연속 섬유를 사용하는 것에 대한 관심도 높아지고 있습니다. 또한, 생분해성 섬유를 바이오 기반이지만 생분해되지 않는 PA 또는 PP, 그리고 불활성 열경화성 소재와 함께 사용하는 것에 대한 관심도 높아지고 있습니다."라고 덧붙였습니다.
현재 X4/5 유리 섬유는 E-유리보다 가격이 비싸지만, 생산량 또한 상대적으로 적습니다. ABM Composite는 수요 증가에 따라 적용 분야를 확장하고 연간 생산량을 2만 톤까지 확대할 수 있는 여러 기회를 모색하고 있으며, 이는 비용 절감에도 도움이 될 수 있습니다. 그럼에도 불구하고, 로슬링은 많은 경우 지속가능성 및 새로운 규제 요건 충족과 관련된 비용이 충분히 고려되지 않았다고 말합니다. 한편, 지구를 구해야 할 시급성은 더욱 커지고 있습니다. "사회는 이미 더 많은 바이오 기반 제품을 요구하고 있습니다." 그는 "재활용 기술을 발전시킬 수 있는 많은 인센티브가 있으며, 세계는 이에 더욱 신속하게 대응해야 합니다. 앞으로 사회는 바이오 기반 제품에 대한 지지를 더욱 강화할 것으로 예상합니다."라고 설명합니다.
LCA 및 지속 가능성 이점
로슬링은 ABM Composite의 소재가 온실가스 배출량과 재생 불가능한 에너지 사용량을 킬로그램당 50~60% 줄인다고 말합니다. "저희는 환경 발자국 데이터베이스 2.0, 공인된 GaBi 데이터셋, 그리고 ISO 14040과 ISO 14044에 명시된 방법론에 기반한 LCA(수명주기분석) 계산을 제품에 적용합니다."
"현재 복합재가 수명이 다하면 복합재 폐기물과 EOL 제품을 소각하거나 열분해하는 데 많은 에너지가 필요합니다. 파쇄 및 퇴비화는 매력적인 옵션이며, 저희가 제공하는 핵심 가치 제안 중 하나이며 새로운 유형의 재활용 가능성을 제공하고 있습니다." 로슬링은 이렇게 말합니다. "저희 유리 섬유는 토양에 이미 존재하는 천연 광물 성분으로 만들어집니다. 그렇다면 EOL 복합재 부품을 퇴비화하거나, 소각 후 분해되지 않는 복합재의 섬유를 용해하여 비료로 사용하는 것은 어떨까요? 이는 전 세계적으로 큰 관심을 받고 있는 재활용 옵션입니다."
상하이 오리센 신소재 기술 유한회사
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전화:+86 08383990499
Email: grahamjin@jhcomposites.com
주소: 상하이시 송장구 신방진 신녹로 398호
게시 시간: 2024년 5월 27일