Sẽ ra sao nếu vật liệu composite polymer gia cường sợi thủy tinh (GFRP) có thể được phân hủy sinh học sau khi hết thời gian sử dụng, bên cạnh những lợi ích đã được chứng minh qua nhiều thập kỷ về giảm trọng lượng, độ bền và độ cứng, khả năng chống ăn mòn và độ bền? Nói tóm lại, đó chính là sức hấp dẫn của công nghệ từ ABM Composite.
Thủy tinh sinh học, sợi cường độ cao
Được thành lập vào năm 2014, Arctic Biomaterials Oy (Tampere, Phần Lan) đã phát triển một loại sợi thủy tinh phân hủy sinh học được làm từ cái gọi là thủy tinh hoạt tính sinh học, mà Ari Rosling, giám đốc R&D tại ABM Composite, mô tả là “một công thức đặc biệt được phát triển vào những năm 1960 cho phép thủy tinh bị phân hủy trong điều kiện sinh lý. Khi được đưa vào cơ thể, thủy tinh sẽ phân hủy thành các muối khoáng cấu thành, giải phóng natri, magiê, phốt phát, v.v., do đó tạo ra điều kiện kích thích sự phát triển của xương.”
“Nó có những đặc tính tương tự nhưSợi thủy tinh không chứa kiềm (thủy tinh E)Ông Rosling cho biết: “Nhưng loại thủy tinh sinh học này rất khó sản xuất và kéo thành sợi, và cho đến nay nó chỉ được sử dụng ở dạng bột hoặc chất dẻo. Theo như chúng tôi biết, ABM Composite là công ty đầu tiên sản xuất sợi thủy tinh cường độ cao từ loại thủy tinh này trên quy mô công nghiệp, và hiện chúng tôi đang sử dụng các sợi thủy tinh ArcBiox X4/5 này để gia cường nhiều loại nhựa khác nhau, bao gồm cả các polyme phân hủy sinh học”.
Cấy ghép y tế
Khu vực Tampere, cách Helsinki, Phần Lan hai giờ về phía bắc, đã là trung tâm sản xuất các polyme sinh học phân hủy được dùng trong y tế từ những năm 1980. Ông Rosling mô tả: “Một trong những thiết bị cấy ghép thương mại đầu tiên được làm từ những vật liệu này đã được sản xuất tại Tampere, và đó là cách ABM Composite ra đời! Hiện nay, đây là đơn vị kinh doanh y tế của chúng tôi”.
“Có rất nhiều polyme phân hủy sinh học, hấp thụ sinh học dùng cho cấy ghép,” ông tiếp tục, “nhưng tính chất cơ học của chúng còn xa so với xương tự nhiên. Chúng tôi đã có thể cải tiến các polyme phân hủy sinh học này để mang lại cho vật liệu cấy ghép độ bền tương đương với xương tự nhiên”. Rosling lưu ý rằng sợi thủy tinh ArcBiox cấp y tế với việc bổ sung ABM có thể cải thiện tính chất cơ học của polyme PLLA phân hủy sinh học từ 200% đến 500%.
Do đó, các vật liệu cấy ghép của ABM Composite mang lại hiệu suất cao hơn so với các vật liệu cấy ghép được làm từ polyme không gia cường, đồng thời có khả năng tự phân hủy sinh học và thúc đẩy sự hình thành và phát triển xương. ABM Composite cũng sử dụng các kỹ thuật đặt sợi/dây tự động để đảm bảo định hướng sợi tối ưu, bao gồm việc đặt sợi dọc theo toàn bộ chiều dài của vật liệu cấy ghép, cũng như đặt thêm sợi tại các điểm có khả năng yếu.
Ứng dụng gia dụng và kỹ thuật
Với đơn vị kinh doanh y tế đang phát triển, ABM Composite nhận thấy rằng các polyme sinh học và có khả năng phân hủy sinh học cũng có thể được sử dụng cho đồ dùng nhà bếp, dao kéo và các vật dụng gia đình khác. Ông Rosling cho biết: “Các polyme có khả năng phân hủy sinh học này thường có tính chất cơ học kém hơn so với nhựa gốc dầu mỏ. Nhưng chúng tôi có thể gia cường các vật liệu này bằng sợi thủy tinh có khả năng phân hủy sinh học của mình, khiến chúng trở thành một lựa chọn thay thế tốt cho nhựa thương mại gốc hóa thạch trong nhiều ứng dụng kỹ thuật khác nhau”.
Kết quả là, ABM Composite đã tăng cường bộ phận kinh doanh kỹ thuật của mình, hiện có 60 nhân viên. Ông Rosling cho biết: “Chúng tôi cung cấp các giải pháp xử lý cuối vòng đời (EOL) bền vững hơn. Giá trị cốt lõi của chúng tôi là đưa các vật liệu composite phân hủy sinh học này vào các hoạt động ủ phân công nghiệp, nơi chúng biến thành đất.” Thủy tinh E-glass truyền thống trơ và sẽ không phân hủy trong các cơ sở ủ phân này.
Vật liệu composite sợi ArcBiox
ABM Composite đã phát triển nhiều dạng sợi thủy tinh ArcBiox X4/5 khác nhau cho các ứng dụng vật liệu composite, từ...sợi cắt ngắnvà các hợp chất ép phun đểsợi liên tụcDùng cho các quy trình như dệt may và ép đùn. Dòng sản phẩm ArcBiox BSGF kết hợp sợi thủy tinh phân hủy sinh học với nhựa polyester sinh học và có sẵn ở các loại công nghệ thông thường và loại ArcBiox 5 được phê duyệt sử dụng trong các ứng dụng tiếp xúc với thực phẩm.
ABM Composite cũng đã nghiên cứu nhiều loại polyme phân hủy sinh học và có nguồn gốc sinh học, bao gồm Axit Polylactic (PLA), PLLA và Polybutylene Succinate (PBS). Sơ đồ bên dưới cho thấy sợi thủy tinh X4/5 có thể cải thiện hiệu suất để cạnh tranh với các polyme gia cường sợi thủy tinh tiêu chuẩn như polypropylen (PP) và thậm chí cả polyamit 6 (PA6).
ABM Composite cũng đã nghiên cứu nhiều loại polyme phân hủy sinh học và có nguồn gốc sinh học, bao gồm Axit Polylactic (PLA), PLLA và Polybutylene Succinate (PBS). Sơ đồ bên dưới cho thấy sợi thủy tinh X4/5 có thể cải thiện hiệu suất để cạnh tranh với các polyme gia cường sợi thủy tinh tiêu chuẩn như polypropylen (PP) và thậm chí cả polyamit 6 (PA6).
Độ bền & Khả năng phân hủy sinh học
Nếu các vật liệu composite này có khả năng phân hủy sinh học, chúng sẽ tồn tại được bao lâu? “Sợi thủy tinh X4/5 của chúng tôi không tan trong năm phút hay qua đêm như đường, và mặc dù các đặc tính của chúng sẽ suy giảm theo thời gian, nhưng sự suy giảm đó sẽ không quá rõ rệt.” Ông Rosling nói, “Để phân hủy hiệu quả, chúng ta cần nhiệt độ và độ ẩm cao trong thời gian dài, như trong cơ thể sống hoặc trong các đống phân hữu cơ công nghiệp. Ví dụ, chúng tôi đã thử nghiệm cốc và bát làm từ vật liệu ArcBiox BSGF của chúng tôi, và chúng có thể chịu được tới 200 lần rửa bằng máy rửa chén mà không bị mất chức năng. Có một số suy giảm về các đặc tính cơ học, nhưng không đến mức khiến cốc không an toàn để sử dụng”.
Tuy nhiên, điều quan trọng là khi các vật liệu composite này được thải bỏ sau khi hết thời hạn sử dụng, chúng phải đáp ứng các yêu cầu tiêu chuẩn cần thiết cho quá trình ủ phân, và ABM Composite đã tiến hành một loạt các thử nghiệm để chứng minh rằng chúng đáp ứng các tiêu chuẩn này. “Theo tiêu chuẩn ISO (cho quá trình ủ phân công nghiệp), quá trình phân hủy sinh học phải diễn ra trong vòng 6 tháng và quá trình phân hủy hoàn toàn trong vòng 3 tháng/90 ngày”. Ông Rosling cho biết, “Quá trình phân hủy hoàn toàn có nghĩa là đặt mẫu thử/sản phẩm vào sinh khối hoặc phân ủ. Sau 90 ngày, kỹ thuật viên sẽ kiểm tra sinh khối bằng cách sử dụng sàng. Sau 12 tuần, ít nhất 90% sản phẩm phải lọt qua được sàng có kích thước 2 mm × 2 mm”.
Quá trình phân hủy sinh học được xác định bằng cách nghiền nguyên liệu ban đầu thành bột và đo tổng lượng CO2 thải ra sau 90 ngày. Điều này đánh giá mức độ chuyển hóa carbon trong quá trình ủ thành nước, sinh khối và CO2. “Để vượt qua bài kiểm tra ủ phân công nghiệp, phải đạt được 90% lượng CO2 lý thuyết 100% thải ra từ quá trình ủ (dựa trên hàm lượng carbon)”.
Rosling cho biết ABM Composite đã đáp ứng các yêu cầu về phân hủy và phân hủy sinh học, và các thử nghiệm đã chỉ ra rằng việc bổ sung sợi thủy tinh X4 của họ thực sự cải thiện khả năng phân hủy sinh học (xem bảng trên), vốn chỉ đạt 78% đối với hỗn hợp PLA không gia cường, chẳng hạn. Ông giải thích: “Tuy nhiên, khi thêm 30% sợi thủy tinh phân hủy sinh học của chúng tôi, khả năng phân hủy sinh học tăng lên 94%, trong khi tốc độ phân hủy vẫn duy trì ở mức tốt”.
Kết quả là, ABM Composite đã chứng minh rằng vật liệu của họ có thể được chứng nhận là có thể phân hủy sinh học theo tiêu chuẩn EN 13432. Các thử nghiệm mà vật liệu của họ đã vượt qua cho đến nay bao gồm ISO 14855-1 về khả năng phân hủy sinh học hiếu khí cuối cùng của vật liệu trong điều kiện ủ phân có kiểm soát, ISO 16929 về phân hủy hiếu khí có kiểm soát, ISO DIN EN 13432 về các yêu cầu hóa học và OECD 208 về thử nghiệm độc tính thực vật, ISO DIN EN 13432.
Khí CO2 thải ra trong quá trình ủ phân
Trong quá trình ủ phân, CO2 thực sự được giải phóng, nhưng một phần vẫn còn lại trong đất và được cây trồng sử dụng. Quá trình ủ phân đã được nghiên cứu trong nhiều thập kỷ, cả với tư cách là một quy trình công nghiệp và một quy trình sau ủ phân thải ra ít CO2 hơn so với các phương án xử lý chất thải khác, và ủ phân vẫn được coi là một quy trình thân thiện với môi trường và giúp giảm lượng khí thải carbon.
Độc tính sinh thái bao gồm việc kiểm tra sinh khối được tạo ra trong quá trình ủ phân và các cây trồng được trồng bằng sinh khối này. Ông Rosling cho biết: “Điều này nhằm đảm bảo rằng việc ủ phân từ các sản phẩm này không gây hại cho cây trồng”. Ngoài ra, ABM Composite đã chứng minh rằng vật liệu của họ đáp ứng các yêu cầu phân hủy sinh học trong điều kiện ủ phân tại nhà, cũng yêu cầu phân hủy sinh học 90%, nhưng trong khoảng thời gian 12 tháng, so với thời gian ngắn hơn đối với quá trình ủ phân công nghiệp.
Ứng dụng công nghiệp, sản xuất, chi phí và triển vọng tương lai
Vật liệu của ABM Composite được sử dụng trong nhiều ứng dụng thương mại, nhưng không thể tiết lộ thêm do thỏa thuận bảo mật. Ông Rosling cho biết: “Chúng tôi đặt hàng vật liệu để phù hợp với các ứng dụng như cốc, đĩa, chén, dao kéo và hộp đựng thực phẩm, nhưng chúng cũng được sử dụng như một giải pháp thay thế cho nhựa gốc dầu mỏ trong hộp đựng mỹ phẩm và các vật dụng gia đình lớn. Gần đây hơn, vật liệu của chúng tôi đã được lựa chọn để sử dụng trong sản xuất các bộ phận trong các hệ thống máy móc công nghiệp lớn cần được thay thế sau mỗi 2-12 tuần. Các công ty này nhận thấy rằng bằng cách sử dụng cốt sợi thủy tinh X4 của chúng tôi, các bộ phận cơ khí này có thể được chế tạo với khả năng chống mài mòn cần thiết và cũng có thể phân hủy sinh học sau khi sử dụng. Đây là một giải pháp hấp dẫn trong tương lai gần khi các công ty này phải đối mặt với thách thức đáp ứng các quy định mới về môi trường và khí thải CO2”.
Ông Rosling nói thêm: “Hiện cũng đang có sự quan tâm ngày càng tăng đối với việc sử dụng các sợi liên tục của chúng tôi trong các loại vải và vải không dệt khác nhau để tạo ra các cấu kiện kết cấu cho ngành xây dựng. Chúng tôi cũng nhận thấy sự quan tâm đến việc sử dụng các sợi phân hủy sinh học của chúng tôi với PA hoặc PP có nguồn gốc sinh học nhưng không phân hủy sinh học và các vật liệu nhiệt rắn trơ”.
Hiện tại, sợi thủy tinh X4/5 đắt hơn sợi thủy tinh E, nhưng sản lượng cũng tương đối nhỏ, và ABM Composite đang theo đuổi một số cơ hội để mở rộng ứng dụng và đẩy nhanh sản lượng lên 20.000 tấn/năm khi nhu cầu tăng lên, điều này cũng có thể giúp giảm chi phí. Tuy nhiên, Rosling cho biết trong nhiều trường hợp, chi phí liên quan đến việc đáp ứng các yêu cầu về tính bền vững và quy định mới chưa được xem xét đầy đủ. Trong khi đó, sự cấp bách của việc cứu lấy hành tinh đang ngày càng tăng. “Xã hội đang thúc đẩy mạnh mẽ việc sử dụng các sản phẩm sinh học hơn.” Ông giải thích, “Có rất nhiều động lực để thúc đẩy công nghệ tái chế, thế giới cần phải hành động nhanh hơn về vấn đề này và tôi nghĩ rằng xã hội sẽ chỉ càng thúc đẩy mạnh mẽ hơn nữa việc sử dụng các sản phẩm sinh học trong tương lai”.
LCA và Lợi thế bền vững
Ông Rosling cho biết vật liệu của ABM Composite giúp giảm phát thải khí nhà kính và sử dụng năng lượng không tái tạo từ 50-60% trên mỗi kilogram. “Chúng tôi sử dụng Cơ sở dữ liệu Dấu chân Môi trường 2.0, bộ dữ liệu GaBi được chứng nhận và các tính toán LCA (Phân tích Vòng đời) cho sản phẩm của mình dựa trên phương pháp luận được nêu trong ISO 14040 và ISO 14044”.
“Hiện nay, khi vật liệu composite đạt đến cuối vòng đời, cần rất nhiều năng lượng để đốt hoặc nhiệt phân chất thải composite và các sản phẩm hết hạn sử dụng, và việc nghiền nhỏ và ủ phân là một lựa chọn hấp dẫn, và chắc chắn đó là một trong những giá trị cốt lõi mà chúng tôi cung cấp, và chúng tôi đang mang đến một loại hình tái chế mới.” Ông Rosling nói, “Sợi thủy tinh của chúng tôi được làm từ các thành phần khoáng chất tự nhiên đã có sẵn trong đất. Vậy tại sao không ủ phân các thành phần composite hết hạn sử dụng, hoặc hòa tan các sợi từ vật liệu composite không phân hủy sinh học sau khi đốt và sử dụng chúng làm phân bón? Đây là một lựa chọn tái chế thực sự có tầm quan trọng toàn cầu”.
Công ty TNHH Công nghệ Vật liệu Mới Thượng Hải Orisen
Di động: +86 18683776368 (cũng có trên WhatsApp)
ĐT: +86 08383990499
Email: grahamjin@jhcomposites.com
Địa chỉ: Số 398 Đường Xanh Mới, Thị trấn Xinbang, Quận Songjiang, Thượng Hải
Thời gian đăng bài: 27 tháng 5 năm 2024