A gdyby kompozyty polimerowe wzmocnione włóknem szklanym (GFRP) można było kompostować po zakończeniu ich użytkowania, oprócz udowodnionych od dziesięcioleci korzyści w postaci redukcji masy, wytrzymałości i sztywności, odporności na korozję i trwałości? To właśnie, w skrócie, stanowi o atrakcyjności technologii ABM Composite.
Szkło bioaktywne, włókna o wysokiej wytrzymałości
Założona w 2014 roku firma Arctic Biomaterials Oy (Tampere, Finlandia) opracowała biodegradowalne włókno szklane wykonane z tzw. szkła bioaktywnego, które Ari Rosling, dyrektor ds. badań i rozwoju w ABM Composite, opisuje jako „specjalną formułę opracowaną w latach 60. XX wieku, która umożliwia degradację szkła w warunkach fizjologicznych. Po wprowadzeniu do organizmu szkło rozpada się na sole mineralne, uwalniając sód, magnez, fosforany itp., tworząc w ten sposób warunki stymulujące wzrost kości”.
„Ma podobne właściwości dowłókno szklane bezalkaliczne (szkło E)Rosling powiedział: „Jednak to bioaktywne szkło jest trudne w produkcji i formowaniu włókien, a do tej pory było używane wyłącznie w postaci proszku lub szpachli. O ile nam wiadomo, ABM Composite była pierwszą firmą, która wytwarzała z niego wysokowytrzymałe włókna szklane na skalę przemysłową, a obecnie wykorzystujemy te włókna szklane ArcBiox X4/5 do wzmacniania różnych rodzajów tworzyw sztucznych, w tym polimerów biodegradowalnych”.
Implanty medyczne
Region Tampere, dwie godziny drogi na północ od Helsinek w Finlandii, od lat 80. XX wieku jest centrum bio-biodegradowalnych polimerów do zastosowań medycznych. Rosling opisuje: „Jeden z pierwszych dostępnych komercyjnie implantów z tych materiałów został wyprodukowany w Tampere i tak rozpoczęła się działalność ABM Composite!, która obecnie jest naszą jednostką biznesową w branży medycznej”.
„Istnieje wiele biodegradowalnych, bioabsorbowalnych polimerów do implantów” – kontynuuje – „ale ich właściwości mechaniczne znacznie odbiegają od właściwości naturalnej kości. Udało nam się udoskonalić te biodegradowalne polimery, aby nadać implantowi taką samą wytrzymałość jak naturalna kość”. Rosling zauważył, że włókna szklane ArcBiox klasy medycznej z dodatkiem ABM mogą poprawić właściwości mechaniczne biodegradowalnych polimerów PLLA o 200–500%.
W rezultacie implanty ABM Composite oferują wyższą wydajność niż implanty wykonane z polimerów niewzmocnionych, a jednocześnie są bioabsorbowalne i wspomagają formowanie i wzrost kości. ABM Composite wykorzystuje również zautomatyzowane techniki rozmieszczania włókien/pasm, aby zapewnić optymalną orientację włókien, w tym układanie włókien na całej długości implantu, a także umieszczanie dodatkowych włókien w potencjalnie słabych punktach.
Zastosowania domowe i techniczne
Dzięki rozwijającemu się działowi medycznemu, ABM Composite dostrzega, że biopolimery i polimery biodegradowalne mogą być również stosowane w naczyniach kuchennych, sztućcach i innych artykułach gospodarstwa domowego. „Te biodegradowalne polimery zazwyczaj mają gorsze właściwości mechaniczne w porównaniu z tworzywami sztucznymi na bazie ropy naftowej”. Rosling powiedział: „Możemy jednak wzmocnić te materiały naszymi biodegradowalnymi włóknami szklanymi, co czyni je praktycznie dobrą alternatywą dla komercyjnych tworzyw sztucznych na bazie paliw kopalnych w szerokim zakresie zastosowań technicznych”.
W rezultacie ABM Composite powiększyło swój dział techniczny, który zatrudnia obecnie 60 osób. „Oferujemy bardziej zrównoważone rozwiązania w zakresie recyklingu (EOL)”. Rosling mówi: „Naszą propozycją wartości jest wykorzystanie tych biodegradowalnych kompozytów w przemysłowych procesach kompostowania, gdzie zamieniają się w glebę”. Tradycyjne szkło typu E jest obojętne chemicznie i nie ulega degradacji w tych kompostowniach.
Kompozyty włókien ArcBiox
Firma ABM Composite opracowała różne formy włókien szklanych ArcBiox X4/5 do zastosowań kompozytowych, odwłókna skróconei mieszanki do formowania wtryskowegowłókna ciągłeDo procesów takich jak formowanie tekstyliów i pultruzja. Seria ArcBiox BSGF łączy biodegradowalne włókna szklane z biożywicami poliestrowymi i jest dostępna w gatunkach standardowych oraz w gatunkach ArcBiox 5 dopuszczonych do stosowania w aplikacjach mających kontakt z żywnością.
Firma ABM Composite zbadała również szereg biodegradowalnych i biopolimerów, w tym kwas polimlekowy (PLA), PLLA i polibutylenobursztynian (PBS). Poniższy diagram pokazuje, jak włókna szklane X4/5 mogą poprawić wydajność, aby konkurować ze standardowymi polimerami wzmacnianymi włóknem szklanym, takimi jak polipropylen (PP), a nawet poliamid 6 (PA6).
Firma ABM Composite zbadała również szereg biodegradowalnych i biopolimerów, w tym kwas polimlekowy (PLA), PLLA i polibutylenobursztynian (PBS). Poniższy diagram pokazuje, jak włókna szklane X4/5 mogą poprawić wydajność, aby konkurować ze standardowymi polimerami wzmacnianymi włóknem szklanym, takimi jak polipropylen (PP), a nawet poliamid 6 (PA6).
Trwałość i kompostowalność
Jeśli te kompozyty są biodegradowalne, jak długo będą działać? „Nasze włókna szklane X4/5 nie rozpuszczają się w pięć minut ani przez noc, jak cukier, i chociaż ich właściwości z czasem ulegną degradacji, nie będzie to aż tak zauważalne”. Rosling mówi: „Aby degradacja przebiegała skutecznie, potrzebujemy wysokich temperatur i wilgotności przez długi czas, jak w warunkach in vivo lub w przemysłowych kompostownikach. Na przykład, przetestowaliśmy kubki i miski wykonane z naszego materiału ArcBiox BSGF i wytrzymywały one do 200 cykli mycia naczyń bez utraty funkcjonalności. Występuje pewna degradacja właściwości mechanicznych, ale nie na tyle duża, by kubki były niebezpieczne w użyciu”.
Ważne jest jednak, aby po utylizacji tych kompozytów pod koniec ich okresu użytkowania spełniały one standardowe wymagania dotyczące kompostowania, a firma ABM Composite przeprowadziła serię testów, aby udowodnić, że spełnia te normy. „Zgodnie z normami ISO (dotyczącymi kompostowania przemysłowego), biodegradacja powinna nastąpić w ciągu 6 miesięcy, a rozkład w ciągu 3 miesięcy/90 dni”. Rosling wyjaśnia: „Rozkład oznacza umieszczenie próbki/produktu testowego w biomasie lub kompoście. Po 90 dniach technik bada biomasę za pomocą sita. Po 12 tygodniach co najmniej 90% produktu powinno przejść przez sito o oczkach 2 mm × 2 mm”.
Biodegradację określa się poprzez zmielenie materiału pierwotnego na proszek i pomiar całkowitej ilości CO2 uwolnionego po 90 dniach. Pozwala to ocenić, jaka część węgla zawartego w procesie kompostowania jest przekształcana w wodę, biomasę i CO2. „Aby zaliczyć test kompostowania przemysłowego, należy osiągnąć 90% teoretycznej, stuprocentowej emisji CO2 z procesu kompostowania (na podstawie zawartości węgla)”.
Rosling twierdzi, że ABM Composite spełniło wymagania dotyczące rozkładu i biodegradacji, a testy wykazały, że dodatek włókna szklanego X4 faktycznie poprawia biodegradowalność (patrz tabela powyżej), która wynosi zaledwie 78% w przypadku niewzmocnionej mieszanki PLA. Wyjaśnia: „Jednak po dodaniu naszych 30% biodegradowalnych włókien szklanych biodegradowalność wzrosła do 94%, a tempo degradacji pozostało na dobrym poziomie”.
W rezultacie firma ABM Composite wykazała, że jej materiały mogą uzyskać certyfikat kompostowalności zgodnie z normą EN 13432. Do testów, które jej materiały przeszły do tej pory, należą: ISO 14855-1 dotycząca ostatecznej biodegradowalności tlenowej materiałów w kontrolowanych warunkach kompostowania, ISO 16929 dotycząca kontrolowanego rozkładu tlenowego, ISO DIN EN 13432 dotycząca wymagań chemicznych oraz OECD 208 dotycząca badania fitotoksyczności, ISO DIN EN 13432.
CO2 uwalniane podczas kompostowania
Podczas kompostowania CO2 rzeczywiście jest uwalniany, ale jego część pozostaje w glebie i jest następnie wykorzystywana przez rośliny. Kompostowanie jest badane od dziesięcioleci, zarówno jako proces przemysłowy, jak i proces pokompostowy, który uwalnia mniej CO2 niż inne alternatywne metody utylizacji odpadów, a kompostowanie jest nadal uważane za proces przyjazny dla środowiska i redukujący ślad węglowy.
Ekotoksyczność obejmuje badanie biomasy wytwarzanej w procesie kompostowania oraz roślin uprawianych z jej wykorzystaniem. „Ma to na celu upewnienie się, że kompostowanie tych produktów nie zaszkodzi rosnącym roślinom” – powiedział Rosling. Ponadto firma ABM Composite wykazała, że jej materiały spełniają wymagania dotyczące biodegradacji w warunkach kompostowania domowego, które również wymagają 90% biodegradacji, ale w okresie 12 miesięcy, w porównaniu z krótszym okresem kompostowania przemysłowego.
Zastosowania przemysłowe, produkcja, koszty i przyszły wzrost
Materiały ABM Composite są wykorzystywane w wielu zastosowaniach komercyjnych, ale więcej informacji nie może zostać ujawnionych ze względu na umowy o zachowaniu poufności. „Zamawiamy nasze materiały do zastosowań takich jak filiżanki, spodki, talerze, sztućce i pojemniki do przechowywania żywności” – mówi Rosling – „ale są one również stosowane jako alternatywa dla tworzyw sztucznych na bazie ropy naftowej w pojemnikach na kosmetyki i dużych artykułach gospodarstwa domowego. Ostatnio nasze materiały zostały wybrane do produkcji komponentów w dużych instalacjach maszyn przemysłowych, które wymagają wymiany co 2-12 tygodni. Firmy te dostrzegły, że dzięki zastosowaniu naszego wzmocnienia z włókna szklanego X4, te części mechaniczne mogą charakteryzować się wymaganą odpornością na zużycie i nadają się do kompostowania po użyciu. To atrakcyjne rozwiązanie na najbliższą przyszłość, ponieważ firmy te stoją przed wyzwaniem spełnienia nowych przepisów dotyczących ochrony środowiska i emisji CO2”.
Rosling dodał: „Rośnie również zainteresowanie wykorzystaniem naszych włókien ciągłych w różnych rodzajach tkanin i włóknin do produkcji elementów konstrukcyjnych dla przemysłu budowlanego. Obserwujemy również zainteresowanie wykorzystaniem naszych włókien biodegradowalnych w połączeniu z biopochodnymi, ale niebiodegradowalnymi materiałami PA lub PP oraz obojętnymi materiałami termoutwardzalnymi”.
Obecnie włókno szklane X4/5 jest droższe niż szkło E, ale wolumeny produkcji są również stosunkowo niewielkie, a ABM Composite poszukuje szeregu możliwości rozszerzenia zastosowań i umożliwienia wzrostu produkcji do 20 000 ton rocznie w miarę wzrostu popytu, co mogłoby również przyczynić się do obniżenia kosztów. Mimo to, Rosling twierdzi, że w wielu przypadkach koszty związane ze spełnieniem wymogów zrównoważonego rozwoju i nowych wymogów regulacyjnych nie zostały w pełni uwzględnione. Tymczasem pilna potrzeba ratowania planety rośnie. „Społeczeństwo już teraz naciska na więcej produktów pochodzenia biologicznego”. Wyjaśnia: „Istnieje wiele zachęt do rozwoju technologii recyklingu, świat musi przyspieszyć działania w tym zakresie i myślę, że społeczeństwo będzie w przyszłości jeszcze bardziej naciskać na produkty pochodzenia biologicznego”.
LCA i przewaga zrównoważonego rozwoju
Rosling twierdzi, że materiały ABM Composite redukują emisję gazów cieplarnianych i zużycie energii nieodnawialnej o 50-60 procent na kilogram. „Korzystamy z bazy danych Environmental Footprint Database 2.0, akredytowanego zbioru danych GaBi oraz obliczeń LCA (Life Cycle Analysis) dla naszych produktów, opartych na metodologii opisanej w normach ISO 14040 i ISO 14044”.
„Obecnie, gdy kompozyty osiągają koniec swojego cyklu życia, spalanie lub piroliza odpadów kompozytowych i produktów wycofanych z eksploatacji (EOL) wymaga dużej ilości energii, a rozdrabnianie i kompostowanie to atrakcyjna opcja i zdecydowanie jedna z kluczowych propozycji wartości, jakie oferujemy. Zapewniamy nowy rodzaj recyklingu”. Rosling mówi: „Nasze włókno szklane jest wytwarzane z naturalnych składników mineralnych, które są już obecne w glebie. Dlaczego więc nie kompostować komponentów kompozytowych EOL lub nie rozpuszczać włókien z niedegradowalnych kompozytów po spaleniu i nie wykorzystywać ich jako nawozu? To opcja recyklingu o realnym globalnym znaczeniu”.
Shanghai Orisen New Material Technology Co., Ltd
M: +86 18683776368 (również WhatsApp)
Telefon: +86 08383990499
Email: grahamjin@jhcomposites.com
Adres: NO.398 New Green Road, Xinbang Town, dzielnica Songjiang, Szanghaj
Czas publikacji: 27 maja 2024 r.