Что если бы композиты из полимеров, армированных стекловолокном (GFRP), можно было компостировать после окончания срока их службы, в дополнение к уже доказанным преимуществам, таким как снижение веса, прочность и жесткость, коррозионная стойкость и долговечность? В этом, в двух словах, и заключается привлекательность технологии ABM Composite.
Биоактивное стекло, высокопрочные волокна
Компания Arctic Biomaterials Oy (Тампере, Финляндия), основанная в 2014 году, разработала биоразлагаемое стекловолокно из так называемого биоактивного стекла, которое Ари Рослинг, директор по исследованиям и разработкам в ABM Composite, описывает как «специальную формулу, разработанную в 1960-х годах, которая позволяет стеклу разлагаться в физиологических условиях. При попадании в организм стекло распадается на составляющие его минеральные соли, высвобождая натрий, магний, фосфаты и т. д., создавая таким образом условия, стимулирующие рост костей».
«Он обладает свойствами, схожими соСтекловолокно, не содержащее щелочей (E-стекло)«Но это биоактивное стекло сложно производить и вытягивать в волокна, и до сих пор оно использовалось только в виде порошка или пасты. Насколько нам известно, ABM Composite была первой компанией, которая начала производить из него высокопрочные стекловолокна в промышленных масштабах, и сейчас мы используем эти стекловолокна ArcBiox X4/5 для армирования различных видов пластмасс, включая биоразлагаемые полимеры».
Медицинские имплантаты
Регион Тампере, расположенный в двух часах езды к северу от Хельсинки (Финляндия), с 1980-х годов является центром производства биоразлагаемых полимеров на биологической основе для медицинского применения. Рослинг рассказывает: «Один из первых коммерчески доступных имплантатов, изготовленных из этих материалов, был произведен в Тампере, и именно так началась история компании ABM Composite, которая сейчас является нашим медицинским подразделением».
«Существует множество биоразлагаемых, биоабсорбируемых полимеров для имплантатов, — продолжает он, — но их механические свойства далеки от свойств естественной кости. Нам удалось улучшить эти биоразлагаемые полимеры, чтобы придать имплантату ту же прочность, что и у естественной кости». Рослинг отметил, что медицинские стекловолокна ArcBiox с добавлением ABM могут улучшить механические свойства биоразлагаемых полимеров PLLA на 200–500%.
В результате имплантаты ABM Composite демонстрируют более высокие эксплуатационные характеристики, чем имплантаты, изготовленные из неармированных полимеров, а также являются биоразлагаемыми и способствуют формированию и росту костной ткани. ABM Composite также использует автоматизированные методы укладки волокон/нитей для обеспечения оптимальной ориентации волокон, включая укладку волокон по всей длине имплантата, а также размещение дополнительных волокон в потенциально слабых местах.
Бытовое и техническое применение
Компания ABM Composite, развивая свое подразделение по производству медицинского оборудования, понимает, что биоразлагаемые полимеры также могут использоваться для кухонной утвари, столовых приборов и других предметов домашнего обихода. «Эти биоразлагаемые полимеры, как правило, обладают худшими механическими свойствами по сравнению с пластмассами на основе нефти», — сказал Рослинг. — «Но мы можем армировать эти материалы нашими биоразлагаемыми стекловолокнами, что делает их практически хорошей альтернативой коммерческим пластмассам на основе ископаемого топлива для широкого спектра технических применений».
В результате компания ABM Composite расширила свое техническое подразделение, в котором сейчас работают 60 человек. «Мы предлагаем более экологичные решения для утилизации отходов», — говорит Рослинг. — «Наше ценностное предложение заключается в использовании этих биоразлагаемых композитов в промышленных компостных установках, где они превращаются в почву». Традиционное стекловолокно E-glass инертно и не разлагается в таких компостных установках.
Композитные волокна ArcBiox
Компания ABM Composite разработала различные виды стекловолокна ArcBiox X4/5 для применения в композитных материалах.короткие волокнаи компаунды для литья под давлениемнепрерывные волокнаДля таких процессов, как текстильное производство и пултрузионное формование. Линейка ArcBiox BSGF сочетает в себе биоразлагаемые стекловолокна с биоразлагаемыми полиэфирными смолами и доступна в общих технологических марках, а также в марках ArcBiox 5, одобренных для использования в контакте с пищевыми продуктами.
Компания ABM Composite также исследовала различные биоразлагаемые и биооснованные полимеры, включая полимолочную кислоту (PLA), PLLA и полибутиленсукцинат (PBS). На диаграмме ниже показано, как стекловолокно X4/5 может улучшить характеристики, позволяя конкурировать со стандартными полимерами, армированными стекловолокном, такими как полипропилен (PP) и даже полиамид 6 (PA6).
Компания ABM Composite также исследовала различные биоразлагаемые и биооснованные полимеры, включая полимолочную кислоту (PLA), PLLA и полибутиленсукцинат (PBS). На диаграмме ниже показано, как стекловолокно X4/5 может улучшить характеристики, позволяя конкурировать со стандартными полимерами, армированными стекловолокном, такими как полипропилен (PP) и даже полиамид 6 (PA6).
Прочность и возможность компостирования
Если эти композиты биоразлагаемы, как долго они прослужат? «Наши стекловолокна X4/5 не растворяются за пять минут или за ночь, как сахар, и хотя их свойства со временем ухудшаются, это не будет так заметно», — говорит Рослинг. «Для эффективного разложения нам необходимы повышенные температуры и влажность в течение длительного времени, как это происходит в живых организмах или в промышленных компостных кучах. Например, мы протестировали чашки и миски, изготовленные из нашего материала ArcBiox BSGF, и они выдержали до 200 циклов мытья в посудомоечной машине без потери функциональности. Наблюдается некоторое ухудшение механических свойств, но не до такой степени, чтобы чашки стали небезопасными для использования».
Однако важно, чтобы при утилизации этих композитных материалов по истечении срока их службы они соответствовали стандартным требованиям, необходимым для компостирования, и компания ABM Composite провела ряд испытаний, чтобы доказать соответствие этим стандартам. «Согласно стандартам ISO (для промышленного компостирования), биоразложение должно происходить в течение 6 месяцев, а разложение – в течение 3 месяцев/90 дней», – говорит Рослинг. – «Разложение означает помещение образца/продукта в биомассу или компост. Через 90 дней техник осматривает биомассу с помощью сита. Через 12 недель не менее 90 процентов продукта должно пройти через сито 2 мм × 2 мм».
Биоразложение определяется путем измельчения исходного материала в порошок и измерения общего количества CO2, выделяющегося через 90 дней. Это позволяет оценить, какая часть углерода, содержащегося в процессе компостирования, преобразуется в воду, биомассу и CO2. «Для прохождения промышленного теста на компостирование необходимо достичь 90 процентов от теоретически 100 процентов выбросов CO2 в процессе компостирования (на основе содержания углерода)».
Рослинг утверждает, что компания ABM Composite соответствует требованиям к разложению и биоразложению, а испытания показали, что добавление стекловолокна X4 фактически улучшает биоразлагаемость (см. таблицу выше), которая, например, составляет всего 78% для неармированной смеси PLA. Он поясняет: «Однако, когда были добавлены наши 30% биоразлагаемых стекловолокон, биоразлагаемость увеличилась до 94%, в то время как показатели разложения остались хорошими».
В результате компания ABM Composite продемонстрировала, что ее материалы могут быть сертифицированы как компостируемые в соответствии со стандартом EN 13432. К числу испытаний, пройденных ее материалами на сегодняшний день, относятся: ISO 14855-1 для оценки окончательной аэробной биоразлагаемости материалов в контролируемых условиях компостирования, ISO 16929 для контролируемого аэробного разложения, ISO DIN EN 13432 для оценки химических требований и OECD 208 для оценки фитотоксичности, ISO DIN EN 13432.
Выделение CO2 в процессе компостирования
В процессе компостирования действительно выделяется CO2, но часть его остается в почве и затем используется растениями. Компостирование изучается десятилетиями, как в качестве промышленного процесса, так и в качестве процесса после компостирования, который выделяет меньше CO2, чем другие альтернативы утилизации отходов, и компостирование по-прежнему считается экологически чистым процессом, снижающим углеродный след.
Экотоксичность включает в себя тестирование биомассы, образующейся в процессе компостирования, и растений, выращенных на этой биомассе. «Это делается для того, чтобы убедиться, что компостирование этих продуктов не наносит вреда растущим растениям», — сказал Рослинг. Кроме того, компания ABM Composite продемонстрировала, что ее материалы соответствуют требованиям биоразложения в условиях домашнего компостирования, которые также требуют 90% биоразложения, но в течение 12 месяцев, по сравнению с более коротким периодом для промышленного компостирования.
Промышленные применения, производство, затраты и перспективы роста
Материалы ABM Composite используются в ряде коммерческих применений, но более подробная информация не может быть раскрыта в связи с соглашениями о конфиденциальности. «Мы заказываем наши материалы для таких применений, как чашки, блюдца, тарелки, столовые приборы и контейнеры для хранения продуктов», — говорит Рослинг, — «но они также используются в качестве альтернативы пластмассам на нефтяной основе в косметических контейнерах и крупных предметах домашнего обихода. В последнее время наши материалы были выбраны для использования в производстве компонентов в крупных промышленных машиностроительных установках, которые необходимо заменять каждые 2-12 недель. Эти компании оценили, что, используя наше армирование стекловолокном X4, эти механические детали могут быть изготовлены с необходимой износостойкостью, а также компостируемы после использования. Это привлекательное решение на ближайшее будущее, поскольку эти компании сталкиваются с проблемой соблюдения новых экологических норм и норм выбросов CO2».
Рослинг добавил: «Также растет интерес к использованию наших непрерывных волокон в различных типах тканей и нетканых материалов для изготовления конструкционных элементов для строительной отрасли. Мы также видим интерес к использованию наших биоразлагаемых волокон с биоразлагаемыми, но небиоразлагаемыми полиамидом или полипропиленом, а также инертными термореактивными материалами».
В настоящее время стекловолокно X4/5 дороже, чем стекловолокно E-класса, но объемы производства также относительно невелики, и компания ABM Composite рассматривает ряд возможностей для расширения областей применения и наращивания производства до 20 000 тонн в год по мере роста спроса, что также может помочь снизить затраты. Тем не менее, Рослинг говорит, что во многих случаях затраты, связанные с соблюдением требований устойчивого развития и новых нормативных требований, не были в полной мере учтены. Между тем, необходимость спасения планеты растет. «Общество уже стремится к использованию большего количества биопродуктов», — объясняет он. — «Существует множество стимулов для развития технологий переработки, миру нужно двигаться в этом направлении быстрее, и я думаю, что в будущем общество будет только усиливать свою поддержку биопродуктов».
Анализ жизненного цикла и преимущества устойчивого развития
Рослинг утверждает, что материалы ABM Composite сокращают выбросы парниковых газов и использование невозобновляемых источников энергии на 50-60 процентов на килограмм. «Мы используем базу данных Environmental Footprint Database 2.0, аккредитованный набор данных GaBi и расчеты LCA (анализа жизненного цикла) для нашей продукции на основе методологии, изложенной в стандартах ISO 14040 и ISO 14044».
«В настоящее время, когда композитные материалы достигают конца своего жизненного цикла, для сжигания или пиролиза отходов композитных материалов и отслуживших свой срок изделий требуется много энергии, и измельчение и компостирование являются привлекательным вариантом, и это, безусловно, одно из ключевых преимуществ, которые мы предлагаем, и мы обеспечиваем новый тип вторичной переработки», — говорит Рослинг. — «Наше стекловолокно изготавливается из природных минеральных компонентов, которые уже присутствуют в почве. Так почему бы не компостировать отслужившие свой срок компоненты композитных материалов или не растворить волокна из неразлагаемых композитов после сжигания и использовать их в качестве удобрения? Это вариант вторичной переработки, представляющий реальный глобальный интерес».
Shanghai Orisen New Material Technology Co., Ltd
М: +86 18683776368 (также WhatsApp)
Тел.: +86 08383990499
Email: grahamjin@jhcomposites.com
Адрес: № 398, Новая Зеленая Дорога, поселок Синьбан, район Сунцзян, Шанхай.
Дата публикации: 27 мая 2024 г.