Tänk om glasfiberförstärkta polymerkompositer (GFRP) kunde komposteras i slutet av sin livslängd, utöver de årtionden av bevisade fördelarna med viktminskning, styrka och styvhet, korrosionsbeständighet och hållbarhet? Det är, i ett nötskal, lockelsen med ABM Composites teknik.
Bioaktivt glas, höghållfasta fibrer
Arctic Biomaterials Oy (Tammerfors, Finland) grundades 2014 och har utvecklat en biologiskt nedbrytbar glasfiber tillverkad av så kallat bioaktivt glas, vilket Ari Rosling, FoU-chef på ABM Composite, beskriver som "en speciell formulering som utvecklades på 1960-talet och som gör att glas kan brytas ner under fysiologiska förhållanden. När det förs in i kroppen bryts glaset ner till sina beståndsdelar, vilket frigör natrium, magnesium, fosfater etc., vilket skapar ett tillstånd som stimulerar bentillväxt."
"Den har liknande egenskaper somalkalifri glasfiber (E-glas)”, sa Rosling, ”Men detta bioaktiva glas är svårt att tillverka och dra till fibrer, och fram till nu har det bara använts som pulver eller spackel. Så vitt vi vet var ABM Composite det första företaget som tillverkade höghållfasta glasfibrer av det i industriell skala, och vi använder nu dessa ArcBiox X4/5-glasfibrer för att förstärka olika typer av plaster, inklusive biologiskt nedbrytbara polymerer.”
Medicinska implantat
Tammerforsregionen, två timmar norr om Helsingfors, Finland, har varit ett centrum för biobaserade biologiskt nedbrytbara polymerer för medicinska tillämpningar sedan 1980-talet. Rosling beskriver: ”Ett av de första kommersiellt tillgängliga implantaten tillverkade med dessa material tillverkades i Tammerfors, och det var så ABM Composite startade! Som nu är vår medicinska affärsenhet”.
”Det finns många biologiskt nedbrytbara, bioabsorberbara polymerer för implantat”, fortsätter han, ”men deras mekaniska egenskaper är långt ifrån naturligt ben. Vi kunde förbättra dessa biologiskt nedbrytbara polymerer för att ge implantatet samma styrka som naturligt ben”. Rosling noterade att medicinska ArcBiox-glasfibrer med tillsats av ABM kan förbättra de mekaniska egenskaperna hos biologiskt nedbrytbara PLLA-polymerer med 200 % till 500 %.
Som ett resultat erbjuder ABM Composites implantat högre prestanda än implantat tillverkade med oförstärkta polymerer, samtidigt som de är bioabsorberbara och främjar benbildning och tillväxt. ABM Composite använder också automatiserade tekniker för placering av fibrer/strängar för att säkerställa optimal fiberorientering, inklusive att lägga fibrer längs hela implantatets längd, samt placera ytterligare fibrer på potentiellt svaga punkter.
Hushålls- och tekniska tillämpningar
Med sin växande medicinska affärsenhet inser ABM Composite att biobaserade och biologiskt nedbrytbara polymerer även kan användas för köksredskap, bestick och andra hushållsartiklar. ”Dessa biologiskt nedbrytbara polymerer har vanligtvis dåliga mekaniska egenskaper jämfört med petroleumbaserade plaster”, sa Rosling. ”Men vi kan förstärka dessa material med våra biologiskt nedbrytbara glasfibrer, vilket gör dem till ett praktiskt taget bra alternativ till fossilbaserade kommersiella plaster för en mängd olika tekniska tillämpningar.”
Som ett resultat har ABM Composite utökat sin tekniska affärsenhet, som nu sysselsätter 60 personer. ”Vi erbjuder mer hållbara lösningar för slutet av livscykeln (EOL).” Rosling säger: ”Vårt värdeerbjudande är att använda dessa biologiskt nedbrytbara kompositer i industriell kompostering där de omvandlas till jord.” Traditionellt E-glas är inert och bryts inte ner i dessa komposteringsanläggningar.
ArcBiox fiberkompositer
ABM Composite har utvecklat olika former av ArcBiox X4/5 glasfibrer för kompositapplikationer, frånkortskurna fibreroch formsprutningsmassor tillkontinuerliga fibrerför processer som textil- och pultruderingsgjutning. ArcBiox BSGF-serien kombinerar biologiskt nedbrytbara glasfibrer med biobaserade polyesterhartser och finns i generella kvaliteter och ArcBiox 5-kvaliteter som är godkända för användning i livsmedelskontaktapplikationer.
ABM Composite har också undersökt en mängd olika biologiskt nedbrytbara och biobaserade polymerer, inklusive polymjölksyra (PLA), PLLA och polybutylensuccinat (PBS). Diagrammet nedan visar hur X4/5-glasfibrer kan förbättra prestandan för att konkurrera med vanliga glasfiberförstärkta polymerer som polypropen (PP) och till och med polyamid 6 (PA6).
ABM Composite har också undersökt en mängd olika biologiskt nedbrytbara och biobaserade polymerer, inklusive polymjölksyra (PLA), PLLA och polybutylensuccinat (PBS). Diagrammet nedan visar hur X4/5-glasfibrer kan förbättra prestandan för att konkurrera med vanliga glasfiberförstärkta polymerer som polypropen (PP) och till och med polyamid 6 (PA6).
Hållbarhet och komposterbarhet
Om dessa kompositer är biologiskt nedbrytbara, hur länge kommer de att hålla? ”Våra X4/5-glasfibrer löses inte upp på fem minuter eller över natten som socker gör, och även om deras egenskaper försämras med tiden kommer det inte att vara lika märkbart.” Rosling säger: ”För att brytas ner effektivt behöver vi förhöjda temperaturer och luftfuktighet under långa tidsperioder, som man ser in vivo eller i industriella komposthögar. Till exempel testade vi koppar och skålar tillverkade av vårt ArcBiox BSGF-material, och de kunde tåla upp till 200 diskcykler utan att förlora funktionalitet. Det sker en viss försämring av de mekaniska egenskaperna, men inte i den grad att kopparna är osäkra att använda.”
Det är dock viktigt att dessa kompositer, när de kasseras i slutet av sin livslängd, uppfyller de standardkrav som krävs för kompostering, och ABM Composite har genomfört en serie tester för att bevisa att de uppfyller dessa standarder. ”Enligt ISO-standarderna (för industriell kompostering) bör biologisk nedbrytning ske inom 6 månader och nedbrytning inom 3 månader/90 dagar”. Rosling säger: ”Nedbrytning innebär att testprovet/produkten placeras i biomassan eller komposten. Efter 90 dagar undersöker teknikern biomassan med hjälp av en sil. Efter 12 veckor bör minst 90 procent av produkten kunna passera genom en 2 mm × 2 mm sil”.
Biologisk nedbrytning bestäms genom att mala det jungfruliga materialet till ett pulver och mäta den totala mängden CO2 som frigörs efter 90 dagar. Detta bedömer hur mycket av kolhalten från komposteringsprocessen som omvandlas till vatten, biomassa och CO2. ”För att klara det industriella komposteringstestet måste 90 procent av de teoretiska 100 procenten CO2 från komposteringsprocessen uppnås (baserat på kolhalt)”.
Rosling säger att ABM Composite har uppfyllt kraven för nedbrytning och biologisk nedbrytning, och tester har visat att tillsatsen av dess X4-glasfiber faktiskt förbättrar den biologiska nedbrytbarheten (se tabellen ovan), vilket till exempel bara är 78 % för en oförstärkt PLA-blandning. Han förklarar: ”Men när våra 30 % biologiskt nedbrytbara glasfibrer tillsattes ökade den biologiska nedbrytbarheten till 94 %, medan nedbrytningshastigheterna förblev goda”.
Som ett resultat har ABM Composite visat att deras material kan certifieras som komposterbara enligt EN 13432. Tester som deras material hittills har klarat inkluderar ISO 14855-1 för slutlig aerob biologisk nedbrytbarhet av material under kontrollerade komposteringsförhållanden, ISO 16929 för aerob kontrollerad nedbrytning, ISO DIN EN 13432 för kemiska krav och OECD 208 för fytotoxicitetstestning, ISO DIN EN 13432.
CO2 som frigörs vid kompostering
Under kompostering frigörs visserligen koldioxid, men en del stannar kvar i jorden och används sedan av växter. Kompostering har studerats i årtionden, både som en industriell process och som en efterkomposteringsprocess som frigör mindre koldioxid än andra alternativ till avfallshantering, och kompostering anses fortfarande vara en miljövänlig och koldioxidavtrycksminskande process.
Ekotoxicitet innebär att testa biomassan som produceras under komposteringsprocessen och de växter som odlas med denna biomassa. ”Detta är för att säkerställa att kompostering av dessa produkter inte skadar de växande växterna”, sa Rosling. Dessutom har ABM Composite visat att deras material uppfyller kraven för biologisk nedbrytning under hemmakomposteringsförhållanden, vilka också kräver 90 % biologisk nedbrytning, men över en 12-månadersperiod, jämfört med en kortare period för industriell kompostering.
Industriella tillämpningar, produktion, kostnader och framtida tillväxt
ABM Composites material används i ett antal kommersiella tillämpningar, men mer kan inte avslöjas på grund av sekretessavtal. ”Vi beställer våra material för att passa tillämpningar som koppar, fat, tallrikar, bestick och matförvaringsbehållare”, säger Rosling, ”men de används också som ett alternativ till petroleumbaserad plast i kosmetikabehållare och stora hushållsartiklar. På senare tid har våra material valts ut för användning vid tillverkning av komponenter i stora industriella maskininstallationer som behöver bytas ut varannan–tolvte vecka. Dessa företag har insett att genom att använda vår X4-glasfiberförstärkning kan dessa mekaniska delar tillverkas med den erforderliga slitstyrkan och är även komposterbara efter användning. Detta är en attraktiv lösning för den närmaste framtiden eftersom dessa företag står inför utmaningen att uppfylla nya miljö- och koldioxidutsläppsföreskrifter”.
Rosling tillade: ”Det finns också ett växande intresse för att använda våra kontinuerliga fibrer i olika typer av tyger och nonwovens för att tillverka strukturella komponenter för byggindustrin. Vi ser också ett intresse för att använda våra biologiskt nedbrytbara fibrer med biobaserade men icke-biologiskt nedbrytbara PA eller PP och inerta härdplastmaterial.”
För närvarande är X4/5-glasfiber dyrare än E-glas, men produktionsvolymerna är också relativt små, och ABM Composite undersöker ett antal möjligheter att utöka tillämpningarna och underlätta en upptrappning till 20 000 ton/år i takt med att efterfrågan ökar, vilket också skulle kunna bidra till att minska kostnaderna. Ändå säger Rosling att kostnaderna för att uppfylla hållbarhetskrav och nya regelkrav i många fall inte har beaktats fullt ut. Samtidigt växer behovet av att rädda planeten. ”Samhället driver redan på för fler biobaserade produkter.” Han förklarar: ”Det finns många incitament för att driva återvinningstekniken framåt, världen måste gå snabbare på detta och jag tror att samhället bara kommer att öka sin satsning på biobaserade produkter i framtiden.”
LCA och hållbarhetsfördelar
Rosling säger att ABM Composites material minskar utsläppen av växthusgaser och användningen av icke-förnybar energi med 50–60 procent per kilogram. ”Vi använder Environmental Footprint Database 2.0, den ackrediterade GaBi-datauppsättningen och LCA-beräkningar (livscykelanalys) för våra produkter baserat på den metod som beskrivs i ISO 14040 och ISO 14044”.
”När kompositer när slutet av sin livscykel krävs det för närvarande mycket energi för att förbränna eller pyrolysera kompositavfall och avfallsprodukter. Strimling och kompostering är ett attraktivt alternativ, och det är definitivt ett av de viktigaste värdeerbjudandena vi erbjuder, och vi tillhandahåller en ny typ av återvinningsbarhet.” Rosling säger: ”Vår glasfiber är tillverkad av naturliga mineralkomponenter som redan finns i jorden. Så varför inte kompostera avfallsprodukter från kompositer, eller lösa upp fibrer från icke-nedbrytbara kompositer efter förbränning och använda dem som gödningsmedel? Detta är ett återvinningsalternativ av verkligt globalt intresse.”
Shanghai Orisen New Material Technology Co., Ltd.
M: +86 18683776368 (även WhatsApp)
Tel: +86 08383990499
Email: grahamjin@jhcomposites.com
Adress: NO.398 New Green Road Xinbang Town Songjiang-distriktet, Shanghai
Publiceringstid: 27 maj 2024