Kā būtu, ja ar stikla šķiedru armētu polimēru (GFRP) kompozītmateriālus to kalpošanas laika beigās varētu kompostēt, papildus gadu desmitiem pierādītajām priekšrocībām, piemēram, svara samazināšanai, izturībai un stingrībai, izturībai pret koroziju un ilgmūžībai? Īsumā, tā ir ABM Composite tehnoloģijas pievilcība.
Bioaktīvs stikls, augstas stiprības šķiedras
Uzņēmums Arctic Biomaterials Oy (Tampere, Somija), kas dibināts 2014. gadā, ir izstrādājis bioloģiski noārdāmu stikla šķiedru, kas izgatavota no tā sauktā bioaktīvā stikla, ko Ari Roslings, ABM Composite pētniecības un attīstības direktors, raksturo kā "īpašu formulu, kas izstrādāta 20. gadsimta sešdesmitajos gados un kas ļauj stiklam noārdīties fizioloģiskos apstākļos. Ievadot organismā, stikls sadalās tā sastāvā esošajos minerālsāļos, atbrīvojot nātriju, magniju, fosfātus utt., tādējādi radot apstākļus, kas stimulē kaulu augšanu."
"Tam ir līdzīgas īpašības kāsārmu nesaturoša stikla šķiedra (E-stikls).” Roslings teica: “Taču šo bioaktīvo stiklu ir grūti ražot un ievilkt šķiedrās, un līdz šim tas ir izmantots tikai kā pulveris vai tepe. Cik mums zināms, ABM Composite bija pirmais uzņēmums, kas no tā rūpnieciskā mērogā ražoja augstas stiprības stikla šķiedras, un tagad mēs izmantojam šīs ArcBiox X4/5 stikla šķiedras, lai pastiprinātu dažāda veida plastmasas, tostarp bioloģiski noārdāmus polimērus.”
Medicīniskie implanti
Tamperes reģions, kas atrodas divas stundas uz ziemeļiem no Helsinkiem, Somijā, kopš 20. gs. astoņdesmitajiem gadiem ir bijis bioloģiski noārdāmu polimēru centrs medicīnas vajadzībām. Roslings apraksta: “Viens no pirmajiem komerciāli pieejamajiem implantiem, kas izgatavoti no šiem materiāliem, tika ražots Tamperē, un tā aizsākās ABM Composite!, kas tagad ir mūsu medicīnas biznesa vienība.”
“Implantiem ir pieejami daudzi bioloģiski noārdāmi, bioabsorbējami polimēri,” viņš turpina, “taču to mehāniskās īpašības ir tālu no dabiskā kaula. Mēs spējām uzlabot šos bioloģiski noārdāmos polimērus, lai implantam piešķirtu tādu pašu izturību kā dabiskajam kaulam.” Roslings atzīmēja, ka medicīniskās kvalitātes ArcBiox stikla šķiedras ar ABM pievienošanu var uzlabot bioloģiski noārdāmo PLLA polimēru mehāniskās īpašības par 200% līdz 500%.
Tā rezultātā ABM Composite implanti piedāvā augstāku veiktspēju nekā implanti, kas izgatavoti no nepastiprinātiem polimēriem, vienlaikus esot arī bioabsorbējamiem un veicinot kaulu veidošanos un augšanu. ABM Composite izmanto arī automatizētas šķiedru/dzīslu izvietošanas metodes, lai nodrošinātu optimālu šķiedru orientāciju, tostarp šķiedru izvietošanu visā implanta garumā, kā arī papildu šķiedru izvietošanu potenciāli vājās vietās.
Mājsaimniecības un tehniskās lietojumprogrammas
Ar savu augošo medicīnas biznesa nodaļu ABM Composite atzīst, ka bioloģiskas izcelsmes un bioloģiski noārdāmus polimērus var izmantot arī virtuves piederumu, galda piederumu un citu mājsaimniecības priekšmetu ražošanā. “Šiem bioloģiski noārdāmiem polimēriem parasti ir sliktas mehāniskās īpašības salīdzinājumā ar naftas bāzes plastmasu.” Roslings sacīja: “Taču mēs varam pastiprināt šos materiālus ar mūsu bioloģiski noārdāmajām stikla šķiedrām, padarot tos par praktiski labu alternatīvu komerciālai plastmasai, kuras pamatā ir fosilās izejvielas, plašam tehnisko pielietojumu klāstam.”
Tā rezultātā ABM Composite ir palielinājis savu tehnisko biznesa vienību, kurā tagad strādā 60 cilvēku. “Mēs piedāvājam ilgtspējīgākus risinājumus pēc ekspluatācijas laika beigām.” Roslings saka: “Mūsu vērtības piedāvājums ir nodot šos bioloģiski noārdāmos kompozītmateriālus rūpnieciskām kompostēšanas darbībām, kur tie pārvēršas augsnē.” Tradicionālais E-stikls ir inerts un šajās kompostēšanas iekārtās nesadalīsies.
ArcBiox šķiedru kompozītmateriāli
ABM Composite ir izstrādājis dažādas ArcBiox X4/5 stikla šķiedru formas kompozītmateriālu lietojumprogrammām, sākot noīsi sagrieztas šķiedrasun iesmidzināšanas formēšanas maisījumusnepārtrauktas šķiedrastādiem procesiem kā tekstilizstrādājumu un pultrūzijas formēšana. ArcBiox BSGF klāsts apvieno bioloģiski noārdāmas stikla šķiedras ar bioloģiskas izcelsmes poliestera sveķiem un ir pieejams vispārējās tehnoloģijas pakāpēs un ArcBiox 5 pakāpēs, kas ir apstiprinātas lietošanai saskarē ar pārtiku.
ABM Composite ir pētījis arī dažādus bioloģiski noārdāmus un bioloģiskas izcelsmes polimērus, tostarp polipienskābi (PLA), PLLA un polibutilēna sukcinātu (PBS). Zemāk redzamajā diagrammā parādīts, kā X4/5 stikla šķiedras var uzlabot veiktspēju, lai konkurētu ar standarta stikla šķiedras pastiprinātiem polimēriem, piemēram, polipropilēnu (PP) un pat poliamīdu 6 (PA6).
ABM Composite ir pētījis arī dažādus bioloģiski noārdāmus un bioloģiskas izcelsmes polimērus, tostarp polipienskābi (PLA), PLLA un polibutilēna sukcinātu (PBS). Zemāk redzamajā diagrammā parādīts, kā X4/5 stikla šķiedras var uzlabot veiktspēju, lai konkurētu ar standarta stikla šķiedras pastiprinātiem polimēriem, piemēram, polipropilēnu (PP) un pat poliamīdu 6 (PA6).
Izturība un kompostējamība
Ja šie kompozītmateriāli ir bioloģiski noārdāmi, cik ilgi tie kalpos? “Mūsu X4/5 stikla šķiedras nešķīst piecās minūtēs vai vienas nakts laikā, kā tas notiek ar cukuru, un, lai gan to īpašības laika gaitā pasliktināsies, tas nebūs tik pamanāms.” Roslings saka: “Lai efektīvi noārdītos, mums ir nepieciešama paaugstināta temperatūra un mitrums ilgstošā laika periodā, kā tas ir konstatēts in vivo vai rūpniecisko kompostu kaudzēs. Piemēram, mēs testējām krūzes un bļodas, kas izgatavotas no mūsu ArcBiox BSGF materiāla, un tās varēja izturēt līdz pat 200 trauku mazgāšanas cikliem, nezaudējot funkcionalitāti. Mehāniskās īpašības nedaudz pasliktinās, bet ne tik ilgi, lai krūzes nebūtu drošas lietošanā.”
Tomēr ir svarīgi, lai, utilizējoties šiem kompozītmateriāliem to kalpošanas laika beigās, tie atbilstu kompostēšanai nepieciešamajām standarta prasībām, un ABM Composite ir veicis virkni testu, lai pierādītu, ka tas atbilst šiem standartiem. “Saskaņā ar ISO standartiem (rūpnieciskajai kompostēšanai) bioloģiskajai noārdīšanai jānotiek 6 mēnešu laikā, bet sadalīšanās — 3 mēnešu/90 dienu laikā.” Roslings saka: “Sadalīšanās nozīmē testa parauga/produkta ievietošanu biomasā vai kompostā. Pēc 90 dienām tehniķis pārbauda biomasu, izmantojot sietu. Pēc 12 nedēļām vismaz 90 procentiem produkta jāspēj iziet cauri 2 mm × 2 mm sietam.”
Biodegradāciju nosaka, sasmalcinot neapstrādātu materiālu pulverī un izmērot kopējo CO2 daudzumu, kas izdalās pēc 90 dienām. Tas novērtē, cik daudz no kompostēšanas procesā iegūtā oglekļa tiek pārvērsts ūdenī, biomasā un CO2. "Lai izturētu rūpnieciskās kompostēšanas testu, ir jāsasniedz 90 procenti no teorētiskajiem 100 procentiem CO2 no kompostēšanas procesa (pamatojoties uz oglekļa saturu)".
Roslings apgalvo, ka ABM Composite ir izpildījis sadalīšanās un biodegradācijas prasības, un testi ir parādījuši, ka tā X4 stikla šķiedras pievienošana faktiski uzlabo biodegradāciju (sk. tabulu iepriekš), kas, piemēram, nepastiprinātam PLA maisījumam ir tikai 78%. Viņš skaidro: "Tomēr, pievienojot mūsu 30% bioloģiski noārdāmās stikla šķiedras, biodegradācija palielinājās līdz 94%, savukārt noārdīšanās rādītāji saglabājās labi".
Tā rezultātā ABM Composite ir pierādījis, ka tā materiālus var sertificēt kā kompostējamus saskaņā ar EN 13432. Līdz šim veiktie testi ietver ISO 14855-1 materiālu galīgajai aerobajai bionoārdāmībai kontrolētos kompostēšanas apstākļos, ISO 16929 aerobiski kontrolētai sadalīšanās procesam, ISO DIN EN 13432 ķīmiskajām prasībām un OECD 208 fitotoksicitātes testēšanai, ISO DIN EN 13432.
Kompostēšanas laikā izdalās CO2
Kompostēšanas laikā CO2 patiešām izdalās, taču daļa paliek augsnē un pēc tam tiek izmantota augiem. Kompostēšana ir pētīta jau gadu desmitiem gan kā rūpniecisks process, gan kā pēckompostēšanas process, kas izdala mazāk CO2 nekā citas atkritumu apglabāšanas alternatīvas, un kompostēšana joprojām tiek uzskatīta par videi draudzīgu un oglekļa pēdas nospiedumu samazinošu procesu.
Ekotoksicitātes pārbaude ietver kompostēšanas procesā saražotās biomasas un ar šo biomasu audzēto augu testēšanu. "Tas tiek darīts, lai pārliecinātos, ka šo produktu kompostēšana nekaitē augošajiem augiem," sacīja Roslings. Turklāt ABM Composite ir pierādījis, ka tā materiāli atbilst bioloģiskās noārdīšanās prasībām mājas kompostēšanas apstākļos, kas arī prasa 90% bioloģisko noārdīšanos, bet 12 mēnešu laikā, salīdzinot ar īsāku periodu rūpnieciskajā kompostēšanā.
Rūpnieciskie pielietojumi, ražošana, izmaksas un turpmākā izaugsme
ABM Composite materiāli tiek izmantoti vairākos komerciālos pielietojumos, taču vairāk informācijas nevar atklāt konfidencialitātes līgumu dēļ. “Mēs pasūtām savus materiālus atbilstoši tādiem pielietojumiem kā krūzes, apakštasītes, šķīvji, galda piederumi un pārtikas uzglabāšanas trauki,” saka Roslings, “bet tos izmanto arī kā alternatīvu naftas bāzes plastmasai kosmētikas traukos un lielos mājsaimniecības priekšmetos. Pavisam nesen mūsu materiāli ir izvēlēti izmantošanai lielu rūpniecisko iekārtu iekārtu detaļu ražošanā, kas jānomaina ik pēc 2–12 nedēļām. Šie uzņēmumi ir atzinuši, ka, izmantojot mūsu X4 stikla šķiedras stiegrojumu, šīs mehāniskās detaļas var izgatavot ar nepieciešamo nodilumizturību un pēc lietošanas tās ir arī kompostējamas. Tas ir pievilcīgs risinājums tuvākajā nākotnē, jo šie uzņēmumi saskaras ar izaicinājumu ievērot jaunus vides un CO2 emisiju noteikumus.”
Roslings piebilda: “Pieaug arī interese par mūsu nepārtraukto šķiedru izmantošanu dažāda veida audumos un neaustos materiālos, lai izgatavotu strukturālus komponentus būvniecības nozarei. Mēs arī redzam interesi par mūsu bioloģiski noārdāmo šķiedru izmantošanu ar bioloģiskas izcelsmes, bet bioloģiski nenoārdāmiem PA vai PP un inertiem termoreaktīviem materiāliem.”
Pašlaik X4/5 stikla šķiedra ir dārgāka nekā E-stikls, taču ražošanas apjomi ir arī salīdzinoši nelieli, un ABM Composite meklē vairākas iespējas paplašināt pielietojumu un veicināt pieaugumu līdz 20 000 tonnām gadā, pieaugot pieprasījumam, kas varētu arī palīdzēt samazināt izmaksas. Tomēr Roslings saka, ka daudzos gadījumos izmaksas, kas saistītas ar ilgtspējības un jauno normatīvo prasību izpildi, nav pilnībā ņemtas vērā. Tikmēr planētas glābšanas steidzamība pieaug. "Sabiedrība jau tagad cenšas panākt vairāk bioloģiskas izcelsmes produktu." Viņš skaidro: "Ir daudz stimulu, lai virzītu uz priekšu pārstrādes tehnoloģijas, pasaulei ir jāvirzās uz šo jautājumu ātrāk, un es domāju, ka sabiedrība nākotnē tikai pastiprinās savu spiedienu uz bioloģiskas izcelsmes produktiem."
LCA un ilgtspējības priekšrocības
Roslings apgalvo, ka ABM Composite materiāli samazina siltumnīcefekta gāzu emisijas un neatjaunojamās enerģijas izmantošanu par 50–60 procentiem uz kilogramu. “Mēs izmantojam vides pēdas nospieduma datubāzi 2.0, akreditēto GaBi datu kopu un LCA (dzīves cikla analīzes) aprēķinus mūsu produktiem, pamatojoties uz ISO 14040 un ISO 14044 standartos izklāstīto metodoloģiju.”
“Pašlaik, kad kompozītmateriāli sasniedz sava dzīves cikla beigas, kompozītmateriālu atkritumu un EOL produktu sadedzināšanai vai pirolizēšanai ir nepieciešams daudz enerģijas, un smalcināšana un kompostēšana ir pievilcīga iespēja, un tā noteikti ir viena no galvenajām mūsu piedāvātajām vērtībām, turklāt mēs nodrošinām jauna veida pārstrādi.” Roslings saka: “Mūsu stikla šķiedra ir izgatavota no dabīgiem minerālu komponentiem, kas jau atrodas augsnē. Tātad, kāpēc gan nekompostēt EOL kompozītmateriālu komponentus vai pēc sadedzināšanas neizšķīdināt šķiedras no nenoārdāmiem kompozītmateriāliem un izmantot tās kā mēslojumu? Šī ir pārstrādes iespēja, kas izraisa patiesu interesi visā pasaulē.”
Shanghai Orisen New Material Technology Co., Ltd.
T: +86 18683776368 (arī WhatsApp)
Tālrunis: +86 08383990499
Email: grahamjin@jhcomposites.com
Adrese: NO.398 New Green Road, Xinbang Town, Songjiang District, Shanghai
Publicēšanas laiks: 2024. gada 27. maijs