Ce-ar fi dacă materialele compozite din polimeri armați cu fibră de sticlă (GFRP) ar putea fi compostate la sfârșitul duratei lor de viață utilă, pe lângă deceniile de beneficii dovedite de reducere a greutății, rezistență și rigiditate, rezistență la coroziune și durabilitate? Pe scurt, acesta este avantajul tehnologiei ABM Composite.
Sticlă bioactivă, fibre de înaltă rezistență
Fondată în 2014, Arctic Biomaterials Oy (Tampere, Finlanda) a dezvoltat o fibră de sticlă biodegradabilă fabricată din așa-numita sticlă bioactivă, pe care Ari Rosling, director de cercetare și dezvoltare la ABM Composite, o descrie ca fiind „o formulă specială dezvoltată în anii 1960, care permite degradarea sticlei în condiții fiziologice. Când este introdusă în organism, sticla se descompune în sărurile minerale constitutive, eliberând sodiu, magneziu, fosfați etc., creând astfel o condiție care stimulează creșterea oaselor.”
„Are proprietăți similare cufibră de sticlă fără alcali (sticlă E)„Dar această sticlă bioactivă este dificil de fabricat și de tras în fibre și, până acum, a fost folosită doar sub formă de pulbere sau chit. Din câte știm, ABM Composite a fost prima companie care a produs fibre de sticlă de înaltă rezistență din aceasta la scară industrială, iar acum folosim aceste fibre de sticlă ArcBiox X4/5 pentru a consolida diverse tipuri de materiale plastice, inclusiv polimeri biodegradabili.”
Implanturi medicale
Regiunea Tampere, la două ore nord de Helsinki, Finlanda, a fost un centru pentru polimeri biodegradabili pe bază de biologie pentru aplicații medicale încă din anii 1980. Rosling descrie: „Unul dintre primele implanturi disponibile comercial, fabricate cu aceste materiale, a fost produs în Tampere și așa a început ABM Composite!, care este acum unitatea noastră de afaceri medicală”.
„Există mulți polimeri biodegradabili, bioabsorbabili, pentru implanturi”, continuă el, „dar proprietățile lor mecanice sunt departe de cele ale osului natural. Am reușit să îmbunătățim acești polimeri biodegradabili pentru a oferi implantului aceeași rezistență ca osul natural”. Rosling a remarcat că fibrele de sticlă ArcBiox de calitate medicală, cu adaos de ABM, pot îmbunătăți proprietățile mecanice ale polimerilor PLLA biodegradabili cu 200% până la 500%.
Prin urmare, implanturile ABM Composite oferă performanțe superioare față de implanturile realizate cu polimeri neranforsați, fiind în același timp bioabsorbabile și promovând formarea și creșterea osoasă. ABM Composite utilizează, de asemenea, tehnici automate de plasare a fibrelor/firelor pentru a asigura o orientare optimă a fibrelor, inclusiv așezarea fibrelor pe întreaga lungime a implantului, precum și plasarea de fibre suplimentare în puncte potențial slabe.
Aplicații casnice și tehnice
Cu unitatea sa de afaceri medicală în creștere, ABM Composite recunoaște că polimerii biodegradabili și pe bază de plante pot fi utilizați și pentru ustensile de bucătărie, tacâmuri și alte articole de uz casnic. „Acești polimeri biodegradabili au de obicei proprietăți mecanice slabe în comparație cu materialele plastice pe bază de petrol”, a spus Rosling: „Dar putem consolida aceste materiale cu fibrele noastre de sticlă biodegradabile, ceea ce le face practic o alternativă bună la materialele plastice comerciale pe bază de combustibili fosili pentru o gamă largă de aplicații tehnice”.
Prin urmare, ABM Composite și-a extins unitatea tehnică de afaceri, care are acum 60 de angajați. „Oferim soluții mai sustenabile pentru sfârșitul duratei de viață (EOL)”, spune Rosling: „Propunerea noastră de valoare este de a introduce aceste compozite biodegradabile în operațiuni industriale de compostare, unde se transformă în sol.” Sticla tradițională E-glass este inertă și nu se va degrada în aceste instalații de compostare.
Compozite din fibre ArcBiox
ABM Composite a dezvoltat diverse forme de fibre de sticlă ArcBiox X4/5 pentru aplicații compozite, de lafibre scurteși compuși de turnare prin injecție pentrufibre continuepentru procese precum textile și turnare prin pultruziune. Gama ArcBiox BSGF combină fibre de sticlă biodegradabile cu rășini poliesterice biodegradabile și este disponibilă în clase tehnologice generale și clase ArcBiox 5 aprobate pentru utilizare în aplicații de contact cu alimentele.
ABM Composite a investigat, de asemenea, o varietate de polimeri biodegradabili și bio-bazați, inclusiv acidul polilactic (PLA), PLLA și succinatul de polibutilenă (PBS). Diagrama de mai jos arată cum fibrele de sticlă X4/5 pot îmbunătăți performanța pentru a concura cu polimerii standard armați cu fibră de sticlă, cum ar fi polipropilena (PP) și chiar poliamida 6 (PA6).
ABM Composite a investigat, de asemenea, o varietate de polimeri biodegradabili și bio-bazați, inclusiv acid polilactic (PLA), PLLA și succinat de polibutilenă (PBS). Diagrama de mai jos arată cum fibrele de sticlă X4/5 pot îmbunătăți performanța pentru a concura cu polimerii standard armați cu fibră de sticlă, cum ar fi polipropilena (PP) și chiar poliamida 6 (PA6).
Durabilitate și compostabilitate
Dacă aceste compozite sunt biodegradabile, cât timp vor rezista? „Fibrele noastre de sticlă X4/5 nu se dizolvă în cinci minute sau peste noapte, așa cum se întâmplă cu zahărul, și, deși proprietățile lor se vor degrada în timp, acest lucru nu va fi la fel de vizibil.” Rosling spune: „Pentru a se degrada eficient, avem nevoie de temperaturi și umiditate ridicate pe perioade lungi de timp, așa cum se observă in vivo sau în grămezi de compost industrial. De exemplu, am testat cești și boluri fabricate din materialul nostru ArcBiox BSGF, iar acestea au putut rezista la până la 200 de cicluri de spălare a vaselor fără a-și pierde funcționalitatea. Există o oarecare degradare a proprietăților mecanice, dar nu până la punctul în care ceștile să nu mai fie sigure pentru utilizare.”
Totuși, este important ca, atunci când aceste compozite sunt eliminate la sfârșitul duratei lor de viață utilă, să îndeplinească cerințele standard necesare pentru compostare, iar ABM Composite a efectuat o serie de teste pentru a demonstra că îndeplinește aceste standarde. „Conform standardelor ISO (pentru compostarea industrială), biodegradarea ar trebui să aibă loc în termen de 6 luni, iar descompunerea în termen de 3 luni/90 de zile”. Rosling spune: „Descompunerea înseamnă plasarea probei/produsului testat în biomasă sau compost. După 90 de zile, tehnicianul examinează biomasa folosind o sită. După 12 săptămâni, cel puțin 90% din produs ar trebui să poată trece printr-o sită de 2 mm × 2 mm”.
Biodegradarea se determină prin măcinarea materialului virgin până la transformarea în pulbere și măsurarea cantității totale de CO2 eliberate după 90 de zile. Aceasta evaluează cât din conținutul de carbon al procesului de compostare este convertit în apă, biomasă și CO2. „Pentru a trece testul de compostare industrială, trebuie atins 90% din conținutul teoretic de 100% de CO2 din procesul de compostare (pe baza conținutului de carbon)”.
Rosling afirmă că ABM Composite a îndeplinit cerințele de descompunere și biodegradare, iar testele au arătat că adăugarea fibrei sale de sticlă X4 îmbunătățește de fapt biodegradabilitatea (vezi tabelul de mai sus), care este de doar 78% pentru un amestec de PLA neranforsat, de exemplu. El explică: „Cu toate acestea, când au fost adăugate fibrele noastre de sticlă biodegradabile 30%, biodegradarea a crescut la 94%, în timp ce ratele de degradare au rămas bune”.
Prin urmare, ABM Composite a demonstrat că materialele sale pot fi certificate ca fiind compostabile conform standardului EN 13432. Printre testele pe care materialele sale le-au trecut până în prezent se numără ISO 14855-1 pentru biodegradabilitatea aerobă finală a materialelor în condiții controlate de compostare, ISO 16929 pentru descompunerea aerobă controlată, ISO DIN EN 13432 pentru cerințele chimice și OECD 208 pentru testarea fitotoxicității, ISO DIN EN 13432.
CO2 eliberat în timpul compostării
În timpul compostării, se eliberează într-adevăr CO2, dar o parte rămâne în sol și este apoi utilizată de plante. Compostarea a fost studiată timp de decenii, atât ca proces industrial, cât și ca proces post-compostare care eliberează mai puțin CO2 decât alte alternative de eliminare a deșeurilor, iar compostarea este încă considerată un proces ecologic și care reduce amprenta de carbon.
Ecotoxicitatea implică testarea biomasei produse în timpul procesului de compostare și a plantelor cultivate cu această biomasă. „Acest lucru este pentru a ne asigura că compostarea acestor produse nu dăunează plantelor în creștere”, a spus Rosling. În plus, ABM Composite a demonstrat că materialele sale îndeplinesc cerințele de biodegradare în condiții de compostare casnică, care necesită, de asemenea, o biodegradare de 90%, dar pe o perioadă de 12 luni, comparativ cu o perioadă mai scurtă pentru compostarea industrială.
Aplicații industriale, producție, costuri și creștere viitoare
Materialele ABM Composite sunt utilizate într-o serie de aplicații comerciale, dar nu pot fi dezvăluite mai multe din cauza acordurilor de confidențialitate. „Comandăm materialele noastre pentru a se potrivi aplicațiilor precum cești, farfurioare, farfurii, tacâmuri și recipiente pentru depozitarea alimentelor”, spune Rosling, „dar sunt folosite și ca alternativă la materialele plastice pe bază de petrol în recipientele cosmetice și articolele mari de uz casnic. Mai recent, materialele noastre au fost selectate pentru a fi utilizate în fabricarea de componente în instalații mari de utilaje industriale care trebuie înlocuite la fiecare 2-12 săptămâni. Aceste companii au recunoscut că, utilizând armarea noastră cu fibră de sticlă X4, aceste piese mecanice pot fi fabricate cu rezistența la uzură necesară și sunt, de asemenea, compostabile după utilizare. Aceasta este o soluție atractivă pentru viitorul apropiat, deoarece aceste companii se confruntă cu provocarea de a respecta noile reglementări privind mediul și emisiile de CO2”.
Rosling a adăugat: „Există, de asemenea, un interes tot mai mare în utilizarea fibrelor noastre continue în diferite tipuri de țesături și materiale nețesute pentru a realiza componente structurale pentru industria construcțiilor. De asemenea, observăm interes în utilizarea fibrelor noastre biodegradabile cu PA sau PP pe bază de bio, dar nebiodegradabile, și materiale termorezistente inerte”.
În prezent, fibra de sticlă X4/5 este mai scumpă decât fibra de sticlă E, dar volumele de producție sunt, de asemenea, relativ mici, iar ABM Composite urmărește o serie de oportunități pentru a extinde aplicațiile și a facilita o creștere a producției la 20.000 de tone/an, pe măsură ce cererea crește, ceea ce ar putea contribui, de asemenea, la reducerea costurilor. Chiar și așa, Rosling spune că, în multe cazuri, costurile asociate cu îndeplinirea cerințelor de sustenabilitate și a noilor cerințe de reglementare nu au fost pe deplin luate în considerare. Între timp, urgența salvării planetei este în creștere. „Societatea deja insistă pentru mai multe produse bio.” El explică: „Există multe stimulente pentru a promova tehnologiile de reciclare, lumea trebuie să se miște mai repede în această privință și cred că societatea își va intensifica eforturile pentru produsele bio în viitor”.
LCA și avantajul sustenabilității
Rosling afirmă că materialele ABM Composite reduc emisiile de gaze cu efect de seră și utilizarea energiei neregenerabile cu 50-60% pe kilogram. „Folosim baza de date a amprentei de mediu 2.0, setul de date acreditat GaBi și calcule LCA (Analiza ciclului de viață) pentru produsele noastre, bazate pe metodologia descrisă în ISO 14040 și ISO 14044”.
„În prezent, când compozitele ajung la sfârșitul ciclului lor de viață, este necesară multă energie pentru incinerarea sau piroliza deșeurilor compozite și a produselor EOL, iar mărunțirea și compostarea reprezintă o opțiune atractivă și este cu siguranță una dintre propunerile de valoare cheie pe care le oferim și oferim un nou tip de reciclabilitate.” Rosling spune: „Fibra noastră de sticlă este fabricată din componente minerale naturale care sunt deja prezente în sol. Așadar, de ce să nu compostăm componentele compozite EOL sau să dizolvăm fibrele din compozite nedegradabile după incinerare și să le folosim ca îngrășământ? Aceasta este o opțiune de reciclare de real interes global.”
Shanghai Orisen New Material Technology Co., Ltd.
Telefon: +86 18683776368 (și WhatsApp)
Tel: +86 08383990499
Email: grahamjin@jhcomposites.com
Adresă: NO.398 New Green Road, orașul Xinbang, districtul Songjiang, Shanghai
Data publicării: 27 mai 2024