Wat als glasvezelversterkte polymeercomposieten (GFRP) aan het einde van hun levensduur gecomposteerd zouden kunnen worden, naast de decennialange bewezen voordelen van gewichtsvermindering, sterkte en stijfheid, corrosiebestendigheid en duurzaamheid? Dat is in een notendop de aantrekkingskracht van de technologie van ABM Composites.
Bioactief glas, vezels met hoge sterkte
Arctic Biomaterials Oy (Tampere, Finland), opgericht in 2014, heeft een biologisch afbreekbare glasvezel ontwikkeld, gemaakt van zogenaamd bioactief glas. Ari Rosling, R&D-directeur bij ABM Composite, beschrijft dit als "een speciale formule die in de jaren 60 is ontwikkeld en ervoor zorgt dat glas onder fysiologische omstandigheden kan worden afgebroken. Wanneer het in het lichaam wordt gebracht, breekt het glas af tot de samenstellende minerale zouten, waarbij natrium, magnesium, fosfaten, enz. vrijkomen, waardoor een omgeving ontstaat die botgroei stimuleert."
“Het heeft vergelijkbare eigenschappen alsalkalivrije glasvezel (E-glas)Rosling vervolgde: "Maar dit bioactieve glas is moeilijk te produceren en tot vezels te trekken, en tot nu toe werd het alleen als poeder of pasta gebruikt. Voor zover wij weten, was ABM Composite het eerste bedrijf dat er op industriële schaal zeer sterke glasvezels van maakte, en we gebruiken deze ArcBiox X4/5 glasvezels nu om verschillende soorten kunststoffen te versterken, waaronder biologisch afbreekbare polymeren."
Medische implantaten
De regio Tampere, twee uur ten noorden van Helsinki in Finland, is sinds de jaren 80 een centrum voor biobased, biologisch afbreekbare polymeren voor medische toepassingen. Rosling legt uit: "Een van de eerste commercieel verkrijgbare implantaten gemaakt met deze materialen werd in Tampere geproduceerd, en zo is ABM Composite ontstaan! Dat is nu onze medische business unit."
“Er zijn veel biologisch afbreekbare, bioabsorbeerbare polymeren voor implantaten”, vervolgt hij, “maar hun mechanische eigenschappen zijn verre van die van natuurlijk bot. We zijn erin geslaagd deze biologisch afbreekbare polymeren te verbeteren, zodat het implantaat dezelfde sterkte krijgt als natuurlijk bot.” Rosling merkte op dat ArcBiox-glasvezels van medische kwaliteit, met de toevoeging van ABM, de mechanische eigenschappen van biologisch afbreekbare PLLA-polymeren met 200% tot 500% kunnen verbeteren.
Hierdoor bieden de implantaten van ABM Composite betere prestaties dan implantaten gemaakt van niet-versterkte polymeren, terwijl ze ook bioabsorbeerbaar zijn en botvorming en -groei bevorderen. ABM Composite maakt bovendien gebruik van geautomatiseerde vezel-/strengplaatsingstechnieken om een optimale vezeloriëntatie te garanderen, waaronder het leggen van vezels over de gehele lengte van het implantaat en het plaatsen van extra vezels op potentieel zwakke plekken.
Huishoudelijke en technische toepassingen
Met zijn groeiende medische divisie erkent ABM Composite dat biobased en biologisch afbreekbare polymeren ook gebruikt kunnen worden voor keukengerei, bestek en andere huishoudelijke artikelen. "Deze biologisch afbreekbare polymeren hebben doorgaans slechte mechanische eigenschappen in vergelijking met kunststoffen op basis van aardolie", aldus Rosling. "Maar we kunnen deze materialen versterken met onze biologisch afbreekbare glasvezels, waardoor ze in feite een goed alternatief vormen voor commerciële kunststoffen op basis van fossiele brandstoffen voor een breed scala aan technische toepassingen."
Als gevolg hiervan heeft ABM Composite zijn technische businessunit uitgebreid, die nu 60 mensen in dienst heeft. "We bieden duurzamere oplossingen voor de afvalverwerking", zegt Rosling. "Onze waardepropositie is om deze biologisch afbreekbare composieten in industriële composteerinstallaties te verwerken, waar ze in aarde veranderen." Traditioneel E-glas is inert en zal niet afbreken in deze composteerinstallaties.
ArcBiox vezelcomposieten
ABM Composite heeft verschillende vormen van ArcBiox X4/5 glasvezels ontwikkeld voor composiettoepassingen, vankortgesneden vezelsen spuitgietverbindingen naarcontinue vezelsvoor processen zoals textiel- en pultrusievormen. De ArcBiox BSGF-reeks combineert biologisch afbreekbare glasvezels met biobased polyesterharsen en is verkrijgbaar in algemene technologiekwaliteiten en ArcBiox 5-kwaliteiten die zijn goedgekeurd voor gebruik in toepassingen met voedselcontact.
ABM Composite heeft ook onderzoek gedaan naar diverse biologisch afbreekbare en biobased polymeren, waaronder polymelkzuur (PLA), PLLA en polybutyleensuccinaat (PBS). Het onderstaande diagram laat zien hoe X4/5 glasvezels de prestaties kunnen verbeteren en daarmee kunnen concurreren met standaard glasvezelversterkte polymeren zoals polypropyleen (PP) en zelfs polyamide 6 (PA6).
ABM Composite heeft ook onderzoek gedaan naar diverse biologisch afbreekbare en biobased polymeren, waaronder polymelkzuur (PLA), PLLA en polybutyleensuccinaat (PBS). Het onderstaande diagram laat zien hoe X4/5 glasvezels de prestaties kunnen verbeteren en daarmee kunnen concurreren met standaard glasvezelversterkte polymeren zoals polypropyleen (PP) en zelfs polyamide 6 (PA6).
Duurzaamheid en composteerbaarheid
Als deze composieten biologisch afbreekbaar zijn, hoe lang gaan ze dan mee? "Onze X4/5 glasvezels lossen niet binnen vijf minuten of 's nachts op zoals suiker, en hoewel hun eigenschappen na verloop van tijd zullen afnemen, zal dat niet zo merkbaar zijn", zegt Rosling. "Om effectief af te breken, hebben we verhoogde temperaturen en een hoge luchtvochtigheid gedurende lange perioden nodig, zoals die in de natuur of in industriële composthopen voorkomen. We hebben bijvoorbeeld bekers en kommen getest die gemaakt zijn van ons ArcBiox BSGF-materiaal, en die konden tot wel 200 afwasbeurten doorstaan zonder hun functionaliteit te verliezen. Er is wel enige afname van de mechanische eigenschappen, maar niet in die mate dat de bekers onveilig zijn om te gebruiken."
Het is echter belangrijk dat deze composieten, wanneer ze aan het einde van hun levensduur worden afgevoerd, voldoen aan de standaardvereisten voor compostering. ABM Composite heeft een reeks tests uitgevoerd om aan te tonen dat het aan deze normen voldoet. "Volgens de ISO-normen (voor industriële compostering) moet biologische afbraak binnen 6 maanden plaatsvinden en ontbinding binnen 3 maanden/90 dagen." Rosling legt uit: "Ontbinding betekent dat het testmonster/product in de biomassa of compost wordt geplaatst. Na 90 dagen onderzoekt de technicus de biomassa met behulp van een zeef. Na 12 weken moet ten minste 90 procent van het product door een zeef van 2 mm × 2 mm kunnen."
De biologische afbraak wordt bepaald door het oorspronkelijke materiaal tot poeder te vermalen en de totale hoeveelheid vrijgekomen CO2 na 90 dagen te meten. Dit geeft een indicatie van hoeveel van het koolstofgehalte van het composteerproces wordt omgezet in water, biomassa en CO2. "Om te slagen voor de industriële composteerproef moet 90 procent van de theoretische 100 procent CO2-afbraak worden bereikt (gebaseerd op het koolstofgehalte)."
Rosling zegt dat ABM Composite aan de eisen voor ontbinding en biologische afbreekbaarheid heeft voldaan, en tests hebben aangetoond dat de toevoeging van hun X4-glasvezel de biologische afbreekbaarheid daadwerkelijk verbetert (zie bovenstaande tabel), die bijvoorbeeld slechts 78% bedraagt voor een onversterkt PLA-mengsel. Hij legt uit: "Toen we echter onze 30% biologisch afbreekbare glasvezels toevoegden, steeg de biologische afbreekbaarheid naar 94%, terwijl de afbraaksnelheden goed bleven."
Als gevolg hiervan heeft ABM Composite aangetoond dat haar materialen gecertificeerd kunnen worden als composteerbaar volgens EN 13432. Tests die de materialen tot nu toe hebben doorstaan, omvatten ISO 14855-1 voor de uiteindelijke aerobe biologische afbreekbaarheid van materialen onder gecontroleerde composteeromstandigheden, ISO 16929 voor gecontroleerde aerobe afbraak, ISO DIN EN 13432 voor chemische eisen en OECD 208 voor fytotoxiciteitstesten.
CO2 komt vrij tijdens het composteringsproces
Tijdens het composteringsproces komt er inderdaad CO2 vrij, maar een deel blijft in de bodem achter en wordt vervolgens door planten opgenomen. Compostering wordt al decennialang bestudeerd, zowel als industrieel proces als nabewerking die minder CO2 uitstoot dan andere afvalverwerkingsmethoden. Compostering wordt nog steeds beschouwd als een milieuvriendelijk proces dat de CO2-uitstoot vermindert.
Ecotoxiciteit omvat het testen van de biomassa die tijdens het composteerproces wordt geproduceerd en de planten die met deze biomassa groeien. "Dit is om ervoor te zorgen dat het composteren van deze producten de groeiende planten niet schaadt", aldus Rosling. Daarnaast heeft ABM Composite aangetoond dat haar materialen voldoen aan de eisen voor biologische afbraak onder omstandigheden van thuiscompostering, waarbij ook 90% biologische afbraak vereist is, maar dan over een periode van 12 maanden, in tegenstelling tot een kortere periode voor industriële compostering.
Industriële toepassingen, productie, kosten en toekomstige groei
De materialen van ABM Composites worden in diverse commerciële toepassingen gebruikt, maar meer details kunnen vanwege geheimhoudingsafspraken niet worden onthuld. "We bestellen onze materialen voor toepassingen zoals kopjes, schotels, borden, bestek en voedselbewaarcontainers", zegt Rosling, "maar ze worden ook gebruikt als alternatief voor op aardolie gebaseerde kunststoffen in cosmetische verpakkingen en grote huishoudelijke artikelen. Recentelijk zijn onze materialen geselecteerd voor de productie van componenten in grote industriële machine-installaties die elke 2 tot 12 weken vervangen moeten worden. Deze bedrijven hebben ingezien dat door het gebruik van onze X4 glasvezelversterking deze mechanische onderdelen de vereiste slijtvastheid kunnen hebben en bovendien na gebruik composteerbaar zijn. Dit is een aantrekkelijke oplossing voor de nabije toekomst, aangezien deze bedrijven voor de uitdaging staan om te voldoen aan nieuwe milieu- en CO2-emissienormen."
Rosling voegde eraan toe: "Er is ook een groeiende belangstelling voor het gebruik van onze doorlopende vezels in verschillende soorten stoffen en non-woven materialen voor de productie van structurele componenten voor de bouwsector. We zien ook interesse in het gebruik van onze biologisch afbreekbare vezels in combinatie met biobased maar niet-biologisch afbreekbare PA of PP en inerte thermohardende materialen."
Momenteel is X4/5-glasvezel duurder dan E-glas, maar de productievolumes zijn ook relatief klein. ABM Composite onderzoekt daarom diverse mogelijkheden om de toepassingen uit te breiden en de productie op te schalen naar 20.000 ton per jaar naarmate de vraag toeneemt, wat ook kan helpen om de kosten te verlagen. Desondanks stelt Rosling dat in veel gevallen de kosten die gepaard gaan met het voldoen aan duurzaamheidseisen en nieuwe regelgeving niet volledig zijn meegewogen. Tegelijkertijd groeit de urgentie om de planeet te redden. "De maatschappij dringt al aan op meer biobased producten", legt hij uit. "Er zijn veel stimulansen om recyclingtechnologieën te bevorderen. De wereld moet hierin sneller vooruitgang boeken en ik denk dat de maatschappij in de toekomst alleen maar meer zal aandringen op biobased producten."
LCA en duurzaamheidsvoordeel
Rosling zegt dat de materialen van ABM Composites de uitstoot van broeikasgassen en het gebruik van niet-hernieuwbare energie met 50-60 procent per kilogram verminderen. "We gebruiken de Environmental Footprint Database 2.0, de geaccrediteerde GaBi-dataset en LCA-berekeningen (levenscyclusanalyse) voor onze producten op basis van de methodologie zoals beschreven in ISO 14040 en ISO 14044".
“Momenteel is er, wanneer composieten het einde van hun levenscyclus bereiken, veel energie nodig om composietafval en afgedankte producten te verbranden of te pyrolyseren. Versnipperen en composteren is een aantrekkelijke optie en absoluut een van de belangrijkste waardeproposities die we bieden. We bieden een nieuw soort recyclebaarheid.” Rosling zegt: “Onze glasvezel is gemaakt van natuurlijke minerale componenten die al in de bodem aanwezig zijn. Dus waarom zouden we afgedankte composietcomponenten niet composteren, of vezels uit niet-afbreekbare composieten na verbranding oplossen en als meststof gebruiken? Dit is een recyclingoptie van groot wereldwijd belang.”
Shanghai Orisen New Material Technology Co., Ltd
M: +86 18683776368 (ook WhatsApp)
T:+86 08383990499
Email: grahamjin@jhcomposites.com
Adres: NO.398 New Green Road, Xinbang Town, Songjiang District, Shanghai
Geplaatst op: 27 mei 2024